Zellulose und Papier: Herstellung, Arten und Geschichte

Was ist Zellulose?

Zellulose ist der Hauptbestandteil der Zellwände von Bäumen und anderen Pflanzen. Es ist eine pflanzliche Faser, die, wenn sie unter dem Mikroskop beobachtet wird, ähnlich wie ein menschliches Haar in Länge und Dicke variiert, je nach Art der Bäume und Pflanzen. Baumwollfasern haben zum Beispiel eine Länge von 20-25 mm, Kiefernfasern 2-3 mm und Eukalyptusfasern 0,6-0,8 mm. Ebenso variiert der Zellulosegehalt je nach Baum- oder Pflanzenart. Unten ist die Zusammensetzung von verschiedenen Bäumen und Pflanzen:

Derzeit gewinnen Zellstofffabriken in Chile Fasern aus Kiefern- und Eukalyptusholz, indem sie diese von anderen Holzbestandteilen wie Lignin und Hemizellulose trennen. Seit Jahrhunderten ist diese Faser der Rohstoff für die Herstellung verschiedener Alltagsgegenstände, wobei ihre Bedeutung für die Papierherstellung hervorzuheben ist.

Bäume sind die Hauptquelle natürlicher Fasern für über 90 % der weltweiten Zellstoffproduktion; die restlichen 10 % stammen von anderen Pflanzen wie Gräsern, Bambus, Zuckerrohr-Bagasse, Baumwolle, Flachs, Hanf und weiteren.

Wie funktioniert Zellulose im Baum?

Bäume, Pflanzen und Algen produzieren Substanzen für ihr Wachstum durch den Prozess der Photosynthese (Photo = Licht / Synthese = Zusammensetzung). Im Fall von Bäumen und grünen Pflanzen besteht dieser Prozess aus einer chemischen Reaktion, die in den Blättern mithilfe von Chlorophyll (dem grünen Pigment, das Energie aus dem Sonnenlicht absorbiert und in Nahrung umwandelt) stattfindet. Dabei werden Sonnenlicht, Kohlendioxid aus der Luft und Wasser aus dem Boden aufgenommen. Durch diesen Prozess gewinnt der Baum Nahrung in Form von Zuckern wie Saccharose und Maltose. Diese Kette von Reaktionen führt schließlich zur Synthese von Glukose in der Kambiumschicht (die sich zwischen Rinde und Holz des Baumes befindet), woraus Zellulose entsteht.

Die erste Phase der Photosynthese ist die Zerlegung von Wasser (H₂O) in Sauerstoff, der durch die Spaltöffnungen in die Atmosphäre freigesetzt wird, und Wasserstoff. Direktes Licht wird für diesen Prozess benötigt. Später werden dieser Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff aus Kohlendioxid (CO₂) in eine Reihe immer komplexerer Verbindungen umgewandelt, die schließlich zu einer stabilen organischen Verbindung, bekannt als Glukose (C₆H₁₂O₆), und Wasser führen. Diese Phase des Prozesses nutzt die gespeicherte Energie und kann somit auch im Dunkeln ablaufen.

Glukose erreicht das Kambium durch das Phloem, die andere Komponente des Kreislaufsystems der Pflanzen. Das Kambium ist ein spezifisches Gewebe bei Gehölzen, das sich zwischen Rinde und Holz befindet und in der Regel aus einer einzigen Schicht embryonaler Zellen besteht, die für das Pflanzenwachstum verantwortlich sind. Bei Bäumen führt die Kambiumschicht jedes Jahr zur Bildung von zwei Zelltypen. Die erste, nach innen gerichtet, ist Holz oder Splintholz, dessen wissenschaftlicher Name Xylem ist und das sich in den Jahresringen des Baumes zeigt, wenn der Stamm geschnitten wird.

Die Teile eines Baumes

• Äußere Rinde:

  Dies ist die äußerste Schicht des Stammes. Sie schützt den Baum vor Insekten, Krankheiten, extremen Temperaturen und anderen Schäden.

• Phloem (Bast):

  Die innere Rinde. Es transportiert die in den Blättern produzierten Kohlenhydrate zu den anderen Teilen des Baumes, wo sie als Nahrung für das Wachstum des Baumes dienen.

• Kambium:

  Dies ist eine dünne, einzellige Schicht embryonaler Zellen, die sich auf der Innenseite der inneren Rinde befindet. Hier findet das Dickenwachstum des Baumes statt. Jedes Jahr produziert das Kambium Zellen, aus denen Xylem und Phloem entstehen. Sobald die neuen Phloemzellen gebildet sind, trocknen die alten aus und werden Teil der Rinde. Im Kambium verbinden sich die neuen Holzzellen mit dem Splintholz (Xylem). Dadurch entstehen die Jahresringe des Baumes.

• Xylem (Splintholz):

  Auch bekannt als Splintholz, dessen Aufgabe es ist, Wasser und Mineralstoffe von den Wurzeln zu den Blättern zu transportieren. Das Splintholz besteht aus langen Zellulosemolekülen, die dem Baum seine Festigkeit verleihen.

• Kernholz:

  Bei älteren Bäumen, in dem Maße, wie neue Jahresringe von außen nach innen gebildet werden, verstopfen die inneren, älteren Splintholzringe mit Harz und werden zu Kernholz. Das Kernholz kann keine Flüssigkeiten mehr transportieren, aber seine Steifigkeit trägt dazu bei, den Baum in der Mitte des Stammes zu stützen. Kernholz ist meist dunkler als Splintholz. (Dieser Baum hatte noch kein Kernholz entwickelt.)

Diagramm: Die Teile eines Baumes

Zellulose macht etwa 50 % der Trockenmasse von Holz aus (nachdem das Wasser entzogen wurde). Da die Bindungen zwischen Glukosemolekülen so stark sind, sind die Zellulosemoleküle sehr stabil, und aus diesem Grund ist Holz auch widerstandsfähig. Die Querverbindungen zwischen den Zellulosemolekülen sind ebenfalls sehr stark, wodurch sie sich zusammenballen und Filamente bilden, die wiederum dickere, seilähnliche Strukturen, sogenannte Mikrofibrillen, bilden.

Arten von Zellulose

Aus technischer und kommerzieller Sicht erhält Zellulose unterschiedliche Bezeichnungen, je nach dem Verfahren, das verwendet wird, um die Zellulosefasern von anderen Holzbestandteilen zu trennen:

• Chemische Zellulose:

  Ist ein Prozess, bei dem Holzpartikel (Hackschnitzel) mit verschiedenen Chemikalien bei hohen Temperaturen und Drücken gekocht werden.

• Mechanische Zellulose:

  Besser bekannt als Holzschliff, wird durch Zerkleinerung von Holz bei hohen Temperaturen und Drücken gewonnen.

Zwischen diesen beiden Kategorien gibt es auch die:

• Chemo-Thermo-Mechanische Zellulose (CTMP):

  Die eine Kombination der zuvor genannten Prozesse verwendet.

Die durch diese Verfahren hergestellte Zellulose hat die Form einer Paste (mit hohem Wassergehalt) und enthält immer noch einen erheblichen Anteil an Lignin, wodurch sie einen braunen Farbton wie Naturholz aufweist.

Da eine der wichtigsten Verwendungen von Zellulose die Herstellung von weißem Papier ist, ist es notwendig, den Zellstoff durch Behandlung mit Chemikalien zu bleichen, um Lignin, Harze, Metallionen und andere Substanzen zu extrahieren, die den Papierherstellungsprozess beeinträchtigen könnten.

Endverwendung von Zellulose

Um die Bedeutung von Zellulose zu erkennen, ist es notwendig, die verschiedenen Funktionen und Verwendungen zu kennen, die nach der Art der Zellulose sortiert wurden:

• Mechanische Zellulose (Holzschliff):

  In Chile und weltweit wird diese Art von Zellstoff praktisch nicht auf dem Markt gehandelt und direkt in derselben Anlage verbraucht, die Zeitungspapier, Papier für Telefonverzeichnisse und Flyer produziert. Diese Zellulose ist leistungsstark, da sie einen hohen Anteil an Lignin und anderen Holzbestandteilen behält und daher relativ kostengünstig ist. Sie wird in der Regel in Kombination mit chemischem Zellstoff verwendet, um diese Papiere sowie andere für Zeitschriften und Kataloge herzustellen, wobei oft eine Beschichtung zur Qualitätsverbesserung hinzugefügt wird.

• Chemo-Thermo-Mechanische Zellulose (CTMP):

  Dieser Zellstoff hat Eigenschaften, die zwischen Holzschliff und Kraftzellstoff liegen. Es ist eine relativ neue Methode der Zelluloseproduktion, die in den späten 80er Jahren begann und heute etwa 6 % der gesamten auf dem Markt gehandelten Zellulose ausmacht. Sie wird oft gebleicht, und ein erheblicher Teil der Produktion ist in Maschinen zur Herstellung von Zeitungspapier und Karton für Verpackungen integriert. Ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften sowie die niedrigen Kosten ermöglichen auch den Einsatz bei der Herstellung von weißem Druck- und Schreibpapier anstelle von chemischer Zellulose.

• Rohkraftzellstoff:

  Wird hauptsächlich aus Kiefern hergestellt, die einer spezifischen chemischen Behandlung, dem Kraft- oder Sulfatverfahren, unterzogen wurden. Wie der Name schon sagt, wird er keinem Bleichmittel unterzogen. Dies ist ein Segment mit einem hohen Grad an Integration in die Produktion von Papier und Pappe. Er macht etwa 4 % der gesamten auf dem Markt gehandelten Zellulose aus. Er ist die Zellulose mit hoher Widerstandsfähigkeit, und tatsächlich bedeutet das deutsche Wort für Stärke 'Kraft'. Aus diesem Grund ist er der Rohstoff für die Herstellung von Verpackungspapieren: Kraftliner für Wellpappschachteln, Kraftpapiersäcke, Papiersäcke und -beutel, Kraftpapierverpackungen, Pappe und Karton.

• Gebleichter Langfaser-Kraftzellstoff:

  Wird aus Kiefernholz hergestellt, das dem Kraft-Prozess unterzogen und anschließend gebleicht wird. Diese Zellulose macht etwa 45 % der gesamten auf dem Markt gehandelten Zellulose aus. Aufgrund ihrer exzellenten Widerstandsfähigkeit wird sie als Ausgangsstoff für die Herstellung von weißem Papier und Karton für Verpackungen verwendet. Sie wird auch zur Faserverstärkung in einer Vielzahl von Papieren eingesetzt. Sie ermöglicht es, die gewünschten Festigkeitsparameter zu erreichen, wenn sie beispielsweise in Kombination mit einem hohen Anteil an Recyclingfasern verwendet wird.

• Gebleichter Kurzfaser-Kraftzellstoff:

  Wird aus Eukalyptus, Akazien oder anderen Harthölzern hergestellt. Diese Zellulose macht 43 % der gesamten auf dem Markt gehandelten Zellulose aus. Insbesondere Eukalyptuszellstoff besitzt eine Reihe biometrischer Eigenschaften, die ihn zu einer einzigartigen Faser machen, die besonders für die Herstellung hochwertiger Tissue-Papiere, feiner Druck- und Schreibpapiere, Fotokopierpapiere und gestrichener Papiere geeignet ist. Darüber hinaus lässt sich diese Zellulose leicht veredeln, wodurch die gewünschten Papiereigenschaften erzielt werden, indem der Verbrauch langer Fasern (Faserverstärkung) reduziert und Energie im Bereich der Raffination eingespart wird. Der Kraftzellstoff wird in Ballen von 250 kg verpackt. Jeder Ballen besteht aus einer variablen Anzahl von Zelluloseplatten von etwa 80 cm Länge und 70 cm Breite mit einem Flächengewicht (Gewicht pro m²) zwischen 700-850 g/m². Für den Export und Verkauf werden 8 Ballen in zwei Säulen zu je vier zusammengefügt, um eine Einheit von 2.000 kg (2 Tonnen) zu bilden.

Was ist Papier?

Papier ist eine Struktur auf der Basis von pflanzlichen Zellulosefasern, die zu einer elastischen, flexiblen Folienform verarbeitet werden. Diese Fasern stammen vom Baum und werden je nach Länge als Langfasern – etwa 3 Millimeter (meist aus Kiefern oder anderen Nadelbäumen gewonnen) – oder als Kurzfasern – 1 bis 2 mm (hauptsächlich aus Eukalyptus gewonnen) – bezeichnet.

Die Geschichte des Papiers

Der Begriff 'Papier' leitet sich vom lateinischen 'papyrus' ab und bezieht sich auf die ägyptische Pflanze Cyperus papyrus aus der Familie der Riedgräser, deren Blätter von den Ägyptern, Griechen und Römern von 3000 v. Chr. bis zum 5. Jahrhundert n. Chr. als Schreibunterlage verwendet wurden.

Die Ägypter gewannen die gleichnamige Papyruspflanze (im alten Ägypten 'Thufir' genannt), die sich durch ihre langen Blätter, weichen Stängel auf dickem Boden und dreieckigen Querschnitt auszeichnete. Das Herz des Papyrus wurde nach dem Kochen als Lebensmittel verzehrt und auch zur Herstellung eines papierähnlichen Materials verwendet.

In Ägypten wurde der Papyrus aus gestreckten Schichten des Marks hergestellt, die quer angeordnet wurden. Dieser Brei wurde mit Wasser getränkt, gepresst und getrocknet. Nach dem Trocknen wurde er mit einem Stück Elfenbein oder einer glatten Muschel gerieben, um der Textur mehr Feinheit zu verleihen. Die Größe reichte von 12,5 x 12,5 cm bis 22,5 x 37,5 cm. Jedes Blatt wurde mit einem anderen verbunden, um Rollen von 6 bis 9 Metern zu bilden; es wurden aber auch längere Rollen von über 40 Metern gefunden.

Chinesische Pioniere der Papierherstellung

Im Jahr 105 n. Chr. stellte Herr T'sai Lun, ein Mitarbeiter des chinesischen Kaisers Ho Ti, das erste Papier aus einer pflanzlichen Paste aus Bambusfasern, Maulbeerbäumen und anderen Pflanzen her und legte damit den Grundstein für das Papier, das wir heute kennen. Herr T'sai übernahm diese Aufgabe auf Befehl des Kaisers, der neue Materialien zum Beschreiben anforderte. Fünfhundert Jahre lang gehörte die Technik der Papierherstellung ausschließlich den Chinesen, die sie über diesen langen Zeitraum eifersüchtig hüteten.

Der Prozess der Papierherstellung

Die für die Papierherstellung benötigten Fasern werden in einem sogenannten Pulper, der wie ein Mixer funktioniert, gemischt, um eine Faserbrei zu bilden. Dieser Brei fällt dann auf ein bewegliches Langsieb, das die Verfilzung der Fasern bewirkt.

Während das Sieb voranschreitet, wird der Wassergehalt des Breis abgeleitet, sodass ein Faserfilm auf dem Sieb zurückbleibt, der das nasse Papierblatt bildet.

Das Gewicht bzw. die Dicke des Papiers kann durch Zugabe von mehr Fasern zum Zellstoff, d.h. durch Erhöhung der Dichte, erhöht werden.

Eine weitere Alternative ist es, drei oder mehr Papierblätter zu verbinden, wie im Fall von Mehrschichtkarton. In diesem Fall werden die Blätter aus drei Bahnen zusammengeführt, bevor sie durch die Presse laufen, und für eine einfache Verbindung wird ein Klebstoff auf Stärkebasis verwendet.

Dann läuft das Papier durch Presswalzen und anschließend durch dampfbeheizte Trockenzylinder, um die Trocknung abzuschließen.

Einige Papiere – sogenannte monolúcidos – laufen durch einen einzigen großen Zylinder, der dem Papier auf der Seite, die mit dem Zylinder in Kontakt kommt, eine glattere und glänzendere Oberfläche verleiht. In der Praxis kann ein monolúcido-Zylinder mit einem normalen Zylinder kombiniert werden.

Für Papiere und Kartons, die für Zwecke bestimmt sind, bei denen der Druck sehr wichtig ist, ist eine sehr glatte und glänzende Oberfläche erforderlich. Dies wird durch das Auftragen einer dünnen Farbschicht erreicht, um gestrichenes Papier oder Karton zu erhalten. Das Papier oder der Karton läuft durch einen Walzenapplikator, der die Farbe aufträgt, und anschließend wird der Überschuss mit einem Messer abgestrichen, wodurch eine glatte und ebene Oberfläche entsteht. Da das Papier nass gestrichen wird, erfolgt eine zusätzliche Trocknung in den Trockenzylindern.

Schließlich wird das Papier oder der Karton am Ende der Maschine aufgewickelt, um eine Rolle zu bilden, die dann verwendet oder geschnitten und in Bogen verschiedener Größen umgewandelt werden kann.

Die Papiermaschine: Komponenten und Funktion

1. 1. Stoffauflauf (Headbox): Der Faserbrei fällt auf ein bewegliches Sieb, das die Blattbildung durch die Vernetzung der Fasern bewirkt.
2. 2. Siebpartie: Überschüssiges Wasser wird aus dem Faserbrei durch Schwerkraft und Vakuum entfernt.
3. 3. Pressenpartie: Das nasse Papierblatt läuft durch Presswalzen, die Wasser durch Druck und Absaugung entfernen.
4. 4. Trockenpartie (Zylindertrockner): Das nasse Papierblatt durchläuft verschiedene Gruppen von Trockenzylindern, die es mit trockener Hitze trocknen.
5. 5. Glättzylinder (Monolúcido): Dies ist ein Zylinder mit großem Durchmesser, dessen Aufgabe es ist, dem Papier eine glattere und glänzendere Oberfläche zu verleihen.
6. 6. Leimpresse: Das Papier erhält ein Stärkebad, das seine Oberfläche versiegelt.
7. 7. Kalander (Glättwerk): Dies sind Stahlwalzen, durch die das Papier läuft, um eine gleichmäßige Glätte über die gesamte Breite und Dicke zu erzielen.
8. 8. Rollenschneider (Coiler): Das Papier wird am Ende der Maschine aufgewickelt und anschließend zu Rollen oder Bogen in den erforderlichen Maßen geschnitten.