Training Papierherstellung

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TRAINING PAPIERHERSTELLUNG


Papier ist ein endlos hergestelltes Vlies aus Pflanzenfasern. Der Hauptfaserrohstoff ist Holz. Andere Faserarten, z. B. Stroh, Hadern, Baumwolle und synthetische Fasern spielen eine untergeordnete Rolle.

Je nach Holzart besitzen die Fasern unterschiedliche Strukturen. So sind z. B. die Fasern der Nadelhölzer (Fichte, Kiefer) bedeutend länger als die der Laubhölzer (Birke, Buche).

Bevor das Holz für die Papiererzeugung einsetzbar ist, muss es aufbereitet werden. Hierbei unterscheidet man den:

- mechanischen Aufschluss und den - chemischen Aufschluss.



Der mechanische Aufschluss des Holzes erfolgt durch Anpressen an einen rotierenden Stein mit rauer Oberfläche, in sogenannten Schleifern. Dabei wird viel Wasser zugesetzt und man erhält ein Gemisch aus Faserbruchstücken und Wasser, den Holzschliff.

Je nach späteren Verwendungszweck erzeugt man Grob- oder Feinschliff, der je nach Bedarf gebleicht werden kann. Bei diesem Aufschluss bleiben alle natürlichen Bestandteile des Holzes, einschließlich Lignin, erhalten. Sie führen dazu, dass mit Holzschliff hergestellte Papiere stark zur Vergilbung neigen. Die unter Verwendung von Holzschliff hergestellten Papiere fasst man unter dem Begriff »holzhaltige Papiere« zusammen.

Mechanischer Aufschluss im Magazinschleifer


Beim chemischen Aufschluss des Holzes verwendet man in der Hauptsache zwei Verfahren an: den sauren Aufschluss und den alkalischen Aufschluss

In beiden Fällen werden aus den Hackschnitzeln von etwa 2 x 2 x 1,5 cm, unter Verwendung von Druck und Temperatur und mit Hilfe von Chemikalien, die Harze und das Lignin (Gerüstsubstanz des Holzes) herausgelöst.

Nach diesem Kochvorgang kann man die jetzt weichen Holzschnitzel in Einzelfasern auflösen. Das erhaltene Produktbezeichnet man als Zellstoff. Dieser wird gewaschen (Entfernung der Chemikalien), sortiert und nach Bedarf gebleicht und getrocknet.

Bei sauren Aufschlussverfahren wird eine Lösung aus Magnesiumbisulfit und freier schwefliger Säure verwendet. Man erhält den sogenannten Sulfitzellstoff.

Die Abwässer beider Kochverfahren werden vollständig erfasst und in mehreren Verfahrens-schritten zur Energie- und Rohstoffgewinnung eingesetzt. Mehr als 95 % der Chemikalien werden so im Kreislauf gefahren.

Für den alkalischen Aufschluss verwendet man Natronlauge und Natriumsulfat und erhält den Sulfatzellstoff, welcher sich durch besonders gute Festigkeitseigenschatten auszeichnet.

Papier, welches ausschließlich aus Zellstoff hergestellt ist, bezeichnet man als holzfreies Papier.


Die wichtigsten Verfahrensschritte der Sulfitzellstofferzeugung und Abwasserentsorgung


Zu den Faserstoffen, welche man auch als Rohstoffe bezeichnet, werden noch verschiedene Hilfsstoffe beigemischt, um dem zu erzeugenden Papier spezielle Eigenschaften zu verleihen. Zu den Hilfsstoffen gehören: Füllstoffe, Leim, Alaun, Farbstoffe und optische Aufheller.

Als Füllstoffe finden verschiedene Mine-ralien Verwendung. Hauptsächlich verwen-dete Füllstoffe sind:

Silikate: Magnesiumsilikat, Talkum, Kaolin, Aluminiumsilikate. Sulfate: Calciumsulfataluminat (Satin weiß), Bariumsulfat (Blanc-Fix, Baryt), Calciumsulfat, Anilin. Carbonate: Calciumcarbonat (Kalkstein, Schlämmkreide), Magnesium carbonat, Magnesit (Patentweiß).

Oxide: Titandioxid (Titanweiß).


Diese Füllstoffe haben je nach Teilchengröße und -struktur unterschiedliche Eigenschaften und Funktionen:

Auffüllen der Zwischenräume im Faserverband des Papiers.

Ausgleichen der Papieroberfläche (geschlossene Oberfläche ist

notwendig zum Beschreiben und Bedrucken).

Steigerung der Opazität des Papiers (Verminderung der

Transparenz).

Erhöhung des Weißgrades des Papiers.

Weichheit und Schmiegsamkeit des Papiers werden verstärkt.

Durch das größere spezifische Gewicht der Füllstoffe ergibt sich

ein höheres g/m²-Gewicht.


Papier ist ein mehr oder weniger poröses Geflecht aus Fasern, das in hohem Maße Flüssigkeiten aufnehmen kann. Bei dieser Flüssigkeitsaufnahme des Papiers findet ein Quellungsvorgang der Fasern statt, der die wichtigste Einflussgröße für die Dimensionsstabilität eines Papiers darstellt. Von den meisten Papieren wird jedoch verlangt, dass die auf ihrer Oberfläche aufgebrachten Flüssigkeiten in scharf umrissener Form erhalten bleiben (Ausnahme: Lösch- und Filterpapiere). Die Leimung von Papieren vermindert in starkem Maße das Eindringen von Wasser und wässrigen Lösungen in den Faserverband des Papiers. Die Saugfähigkeit wird entscheidend vermindert.


Zur Verwendung gelangen Naturharzleime (Kolophonium wird aus dem Harz der Nadelbäume gewonnen) oder synthetische Leime. Harzleim wird entweder als gelöste Harzseife oder als Harzdispersion mit der Faser -Wasser -Suspension innig vermischt und die einzelnen Leimpartikel werden mit Hilfe von Aluminiumsulfat (Alaun) an die Fasern gebunden. Synthetische Leime besitzen reaktive Gruppen, die sich an die Papierform ohne den Zusatz von Alaun anlagern können. In der Trockenpartie sintern die Leimpar tikel und bilden eine wasserabstoßende Schicht in den Papierporen, wodurch der Leimungseffekt erzielt wird. Durch die Leimung wird die Festigkeit nur unbedeutend beeinflusst.


Abgesehen von den farbigen Papieren, wo der Einsatz von Farbstoffen selbstverständlich ist, werden diese auch bei weißen Papieren verwendet. Es gibt kein reines Weiß als Papierfärbung, sondern alle Pa piere haben einen »Farbstich« ins rötliche, bläuliche, grünliche oder gelbliche. Da die Roh- und Hilfsstoffe ebenfalls in der Färbung unterschiedlich sind, müssen zur Erzielung einer gleich bleibenden Papierfärbung Nuancierfarbstoffe eingesetzt werden. Neben den Farbstoffen werden noch sogenannte optische Aufheller eingesetzt. Diese verleihen dem Papier ein höheres Weiß, indem sie Lichtanteile aus dem unsichtbaren Teil des Wellenlängenbereichs überführen. Ein Effekt, der besonders von der Waschmittelindustrie genutzt wird (Weißmacher).


Die Eigenschaften des Papiers werden aber nicht nur von der Stoffzusammensetzung (Langfaser, Kurzfaser, Sulfit-, Sulfat zellstoffe) und den Hilfsstoffen (Füllstoffe, Leim etc.) bestimmt, sondern auch von der Mahlung der Fasern. Die Mahlung erfolgt in wässriger Verdünnung bei etwa 4-7% Fasergehalt. Sie dient in erster Linie der Erhöhung der Festigkeit. Bei engem Messerabstand werden die Fasern abgeschnitten, kaum gequetscht. Die Faserhohlräume bleiben erhalten. Der kurzfaserige Stoff fühlt sich körnig an. Man spricht von der röschen Mahlung (rösch= resch = knusprig, rau, körnig). Bei der Blattbildung legen sich die Fasern mit ihren natürlichen Poren locker über einander, bilden Hohlräume. Es entsteht ein weiches, voluminöses, saugfähiges Papier von geringer Festigkeit. Beispiel: Werkdruckpapier, Löschpapier.


Mahlaggregate:

Steilkegel-Refiner

Scheiben-Refiner


Bei etwas weiterem Messerabstand wird die Faser in erster Linie gequetscht, spaltet sich in ihre Fibrillen (feinste Einzelstränge) auf. Die Faserhohlräume gehen verloren. Der gemahlene Stoff fühlt sich schmierig an. Man spricht von einer schmierigen Mahlung. Bei der Blattbildung verfilzen die Fibrillen eng miteinander; das ergibt ein sehr dichtes, wenig saugfähiges Papier mit geringer Opazität und hoher Festigkeit. Beispiel: Transparentpapier, Pergamin.


Schmierige Mahlung

Rösche Mahlung


Die eingesetzten Faserstoffe werden meistens in Ballen angeliefert. Mit Wasser werden die Ballen in Pulpern (System wie Küchenmaschinen) aufgelöst.

Das Stoff Wasser-Gemisch hat ca. 4-7 % Fasergehalt und wird durch Pumpen innerhalb der Papierfabrik zu den einzelnen Bearbeitungsstufen transportiert. In großen Mischbütten erfolgt nach der Mahlung die Zusammenmischung der einzelnen Faserroh- und Hilfsstoffe.

Dieser »Ganzstoff« wird anschließend erheblich mit Wasser verdünnt (ca. 1 % Stoffdichte) und durchläuft verschiedene Reinigungsstufen (Cleaner, Vertikalsichter, Knotenfänger), in welchen die Verunreinigungen wie Sand, Splitter, Plastik entfernt werden. Danach gelangt der Stoff auf die Papiermaschine.


Stoffauflauf

Siebpartie Pressenpartie Vortrockenpartie

Leimpresse Glättwerk

Pope-RollerNachtrockenpartie

Schema einer Langsieb-Papiermaschine


Die Papiermaschine setzt sich aus folgenden Teilabschnitten zusammen, welche das Papier nacheinander durchläuft :

Stoffauflauf Siebpartie Pressenpartie Vortrockenpartie Leimpresse Nachtrockenpartie Glättwerk Aufrollung

Im Stoffauflauf wird der Stoff gleichmäßig verteilt und tritt durch einen schmalen Spalt in Papiermaschinenbreite auf das Sieb aus. Dieses ist ein feines, endlos umlaufendes Metall- oder Kunststoffgewebe. Es wird durch Walzen oder Leisten getragen, die das Wasser nach unten abziehen. Eine Siebschüttelung kann die Stoffverteilung (Durchsicht) und die Verfilzung der einzelnen Fasern positiv beeinflussen. Die weitere Entwässerung geschieht durch Vakuumkästen, Saugwalzen und ein Ober-sieb. Die fertige Papierbahn wird mit ca. 20% Feststoffgehalt an die Pressenpartie übergeben.


Entstehung der Laufrichtung in der Siebpartie der Papiermaschine

Auf dem Sieb der Papiermaschine ordnen sich die Papierfasern während des Entwässerungsprozesses in Laufrichtung des Siebes an.

Während der Blattbildung und der ersten Entwässerung auf dem Sieb werden zwei für den Drucker sehr wichtige Eigenschaften des Papiers beeinflusst: Die Faserorientierung und die Zweiseitigkeit.


Durch die Strömungsrichtung im Stoff-auflauf findet eine Orientierung der Fasern in der Laufrichtung des Siebes statt. Da die Fasern bei Wasseraufnahme oder Wasser-abgabe im Durchmesser bis zu siebenmal stärker quellen bzw. schrumpfen als in der Längsrichtung, hat die Faserlage einen großen Einfluss auf die Passgenauigkeit (Dimensionsstabilität). Hieraus ergeben sich die beiden Begriffe: Laufrichtung und Dehnrichtung.

Mit den Begriffen Laufrichtung, Maschinenrichtung, Längsrichtung, Faserrichtung

meint man die Arbeitsrichtung der Papiermaschine und die Lage der meisten Papierfasern.


Hygroskopische Wirkung durch Kapillaren Fasern nehmen leicht Feuchtigkeit auf und quellen dabei besonders in der Dehnrichtung (Faserbreite).

Laufrichtung der Faser

Dehnrichtung der Faser


Die weitere Entwässerung des Papierblattes geschieht in der Pressenpartie. Dabei wird das Papier, auf einem endlos umlaufenden Filz liegend, zwischen stark angepressten Walzenpaaren hindurchgeführt. Eine der Walzen ist in der Regel als Saugwalze ausgebildet, um das ausgepresste Wasser abzusaugen. Dieser Vorgang geschieht mehrmals, bis ein Trockengehalt von ca. 40-45 % erreicht und eine weitere mechanische Entwässerung nicht mehr möglich ist. Die weitere Trocknung ist nur noch durch Wasserverdampfung möglich. Diese findet in der Trockenpartie statt. Das Papier wird durch Trockensiebe an dampfbeheizte Zylinder angepresst.


Nach dem Trockenvorgang wird das Papier in vielen Fällen in der Papiermaschine oberflächenveredelt. Dies kann durch den Auftrag einer Lösung von Kunstharzen oder Stärkelösungen erfolgen. Er hat den Zweck, die Papieroberfläche zu binden, um ein späteres Rupfen und Stauben zu verhindern. Dabei wird das Papier wieder nass und muss erneut getrocknet werden. Diesmal erfolgt die Austrocknung soweit, dass das Papier sich bei einem Klima von ca. 20°C und 55% relativer Luftfeuchtigkeit nicht mehr verändert (keine Wasseraufnahme aus der Luft bzw. Wasserabgabe an die Luft). Danach wird die Papierbahn aufgerollt.


Hochwertige Papieroberflächen werden durch »Streichen« des Papiers erreicht. Die geschlossene und homogene Oberfläche von matt gestrichenen oder der Glanz von glänzend gestrichenen Papieren bewirken mit einer hohen Opazität bei Mehrfarbendrucken eine weitaus höhere Leuchtkraft der Druckfarbe. Der höhere Weißgrad, den gestrichene Papiere besitzen, ermöglicht eine exakte Wiedergabe des Farbtons. Originalgetreue Mehrfarbendrucke können somit nur auf gestrichenen Papieren durchgeführt werden. Beim Streichen wird auf die Papieroberfläche eine Masse aus hochwertigen Pigmenten und natürlichen oder synthetischen Bindemitteln aufgebracht.


Die Qualität des gestrichenen Papiers wird von der Auftragsmenge und dem Auftragsverfahren beeinflusst. Ebenfalls übt das Streichrohpapier einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität des gestrichenen Papiers aus.

Folgende Eigenschaften sind erforderlich: - Gleichmäßige Blattbildung - Gleichmäßige Saugfähigkeit - Keine Splitter, Stippen, Nadellöcher - Festigkeit in der Quer- und Längsdimension - Mechanische und klimatische Dimensionsstabilität - Gleichmäßiges Feuchtigkeitsprofil beim Streichvorgang


Die einfachste Form der Veredelung ist die Oberflächenbehandlung in der Leimpresse, die in die Papiermaschine integriert ist. Allerdings ist die Auftragsmenge von Pigment mit der Leimpresse begrenzt. Bei der weiterentwickelten Filmpresse können hohe Konzentrationen in Leimung und Pigmentierung fahren werden. Diese in-line gestrichenen Papiere werden auch „maschinengestrichen“ genannt, obwohl dieser Begriff auch für off-line gestrichene Papiere gebraucht wird. Die Qualität eines Papiers wird bestimmt durch die Auftragsmenge und dem Auftragsverfahren. Dabei überlappen sich die klassischen Abgrenzungen nach maschinengestrichenem Papier, Kunstdruckpapier und gussgestrichenem Papier, so dass es häufig nur graduelle Unterschiede gibt.


Bei Rollenausrüstung ist vorwiegend auf folgende Punkte zu achten: - Gute Klebestellen - Einwandfreie Schnittkanten - Gerade laufende Rollenseiten (kein Teleskopieren) - Gleichmäßige Wickelhärte über die Breite - Gute Mittelhülsen - einer den Anforderungen gerechten Verpackung.

Bei den Formatpapieren stehen im Vordergrund: - Formatgenauigkeit - Winkelgenauigkeit - Saubere Schnittkanten - Freiheit von fehlerhaften Bogen - einer den Anforderungen gerechter,

vor Klimaeinflüssen schützender Verpackung.

Je nach Kundenwunsch wird das Papier in Rollen- oder Formatwaren ausgeliefert.


Bei Aufteilung der Papierbahn in Formatbogen können sie entweder schmal oder breit aus der Bahn herausgeschnitten werden.

Hieraus erklären sich die Begriffe

Schmalbahn und Breitbahn


Maschinenrichtung

Pap

ierm

asch

inen

Bre

ite1000 x 700 mm

700 x 1000 mm

Bre

itb

ahn

Schmalbahn


Prüfung der Laufrichtung

1. Die Nagelprobe.

Unter festem Druck streift man mit dem Fingernagel über beide Kanten, wobei eine unterschiedlich starke Wellenbildung entsteht.

3. Die Feuchtprobe

Ein Stück Papier wird dem Probebogen ent-nommen und einseitig angefeuchtet. Die dabei durch die Feucht-dehnung entstehende Einrollung deutet auf die Laufrichtung.

2. Die Streifenprobe.

Man schneidet zwei gleich lange und breite Streifen aus der Länge und Breite des Bogens. Hält man sie waage-recht, so wird die Durchbiegung des Streifens aus der Quer-richtung stärker sein.

4. Die Reißprobe.

Durch Einreißen des Bogens in Längs- und Querrichtung kann man aus den Riß-kanten auf die Lauf-richtung schließen.


1. Die wellige Seite liegt quer zur Laufrichtung.

2. Der steifere Streifen liegt in Laufrichtung.

4. Der glattere Riss liegt parallel zur Laufrichtung.

3. Die Seiten mit hoch stehenden Kanten liegen in der Laufrichtung.


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