Papier - Cellulose

Die Geschichte des Papiers

Vor ca. 2000 Jahren wurde die Kunst des Papiermachens entdeckt. Angefangen hat die Geschichte des Papiers bei den Chinesen, die rund 100 Jahre nach Christi Geburt das Rezept fanden, um Papier herzustellen. Im Großen und Ganzen ist die Papiergeschichte in 11 Stationen zu gliedern. Sie fing in Lei Yang (China) an und endete in Plattling (Deutschland). Das Papier hat sich im Laufe der Zeit über den ganzen Globus verbreitet.

Station 1 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Lei Yang

Die Chinesen entdeckten ein Rezept, welches nach vielen Versuchen Papier herzustellen endlich funktionierte. Sie zerstampften Fasern von Maulbeerbast, Bambus, Chinagras, Hanf oder Reste alter Gewebe in einem Bottich, vermengten die Masse mit Wasser und schöpften den so gewonnenen Brei mit Hilfe von Bambussieben als Faservlies sorgsam ab. Dieses ließen sie an der Sonne trocknen. Ein chinesischer Hofbeamter berichtete 105 n. Chr. seinem Kaiser als erster von dieser Technik des Papiermachens. Der Kaiser verhängte ein Geheimhaltungsgebot. Erst im siebten Jahrhundert gelangte die Papiermachkunst durch buddhistische Mönche nach Japan und Korea.

Station 2 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Samarkand

Der europäische Kulturkreis erfuhr erst 751 n. Chr. von der Papierherstellung. Ein arabisches Heer nahm im Flusstal des Thalas (heute Turkestan) chinesische Kriegsgefangene, welche ihnen das Rezept zur Papierherstellung preisgaben. Es entstanden erste Papiermühlen.

Station 3 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Damaskus

Die Papiermachkunst breitete sich auf Grund der Eroberungskriege zuerst nach Afrika und schließlich auch nach Europa, in den islamisch beherrschten Teil Spaniens aus. Da ein Mangel an Frischfasern herrschte, verwendeten die Araber hauptsächlich Hadern zur Papierherstellung. Die Hadern ließen sich allerdings nur schlecht zerfasern, was zur Folge hatte, dass das Papier nicht so gut zu beschreiben war. Daher wurden die dünnen Papierblätter auf beiden Seiten mit Stärkekleister bestrichen.

Station 4 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Xativa

Im spanischen Xativa, das ist das heutige San Felipe, entstand 1144 eine Papiermühle.

Station 5 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Italien und Frankreich

Die heimkehrenden Kreuzritter sorgten im 13. Jahrhundert für die weitere Verbreitung der Papierherstellung in Italien und Frankreich. Vor allem in Italien wurde seit dem versucht, die Technik des Papiermachens zu verbessern. Die Italiener suchten nach besseren Möglichkeiten, die Fasern aufzubereiten und entwickelten so den eigentlichen Herstellungsprozess wesentlich weiter.

Station 6 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Nürnberg

Der Nürnberger Ratsherr Ulman Stromer produzierte in der Gleismühle bei Nürnberg das erste Papier in Deutschland.

Station 7 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Germantown

In Germantown entstand 1690 die erste Papierfabrik Amerikas. Das war wenige Jahre nach der ersten großen Auswanderungswelle von Europa in die Neue Welt.

Station 8 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Mainz

In der Epoche der Renaissance (14.-16. Jhd.) war der Bedarf an Papier besonders stark, da das Papier als Träger der neuen Ideen fungierte. Johannes Gutenberg setzte um 1445 eine Buchseite aus beweglichen Blättern zusammen und revolutionierte die Drucktechnik. Schon Ende des 16. Jahrhunderts erschienen die ersten Illustrierten und die Papiermacher kamen dem Bedarf der Drucker kaum nach.

Station 9 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Frankreich

Die ersten Schnelldruckmaschinen wurden hergestellt. Es gelang jedoch nicht mehr, den Papierbedarf dadurch zu decken, dass immer mehr Mühlen gebaut wurden. Der Franzose Louis Robert erfand 1799 die erste Papiermaschine. Diese mechanisierte vor allem den Schöpfvorgang.

Station 10 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Sachsen

Bis ins 20. Jahrhundert dienten vor allem Lumpen und Hadern als Faserstoffe. Doch diese Rohstoffe konnten die Nachfrage nach Papier nicht decken. 1843 gelang es dem sächsischen Weber Friedrich Gottlob Keller, Fasern aus Nadelholz zu erschließen. Dadurch wurde der nachwachsende Rohstoff Holz entdeckt und die Textilfasern wurden nicht mehr benötigt.

Station 11 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Plattling

An dem Prinzip der Papierherstellung hat sich bis heute nichts geändert. Aber die Maschinen und Technologien wurden verbessert und somit ist heute eine effizientere und umweltverträglichere Papierherstellung möglich. In Deutschland werden 3.000 Papiersorten hergestellt. Davon dient ungefähr die Hälfte der Kommunikation.

PAPIER

Das Papier wird aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz hergestellt. Holz enthält etwa 40 bis 50 % Cellulose, 15 bis 20 % Hemicellulose (das ist ein Polysaccharid, das nicht aus Glucose, sondern aus anderen Monosacchariden besteht) und 25 bis 35 % Lignin. Da Cellulose der Hauptbestandteil des Holzes ist und Holz zur Papierherstellung dient, werde ich nun die Cellulose näher betrachten.

Cellulose

Vorkommen:

€- Cellulose ist der Hauptbestandteil in den Zellwänden aller höheren Pflanzen und dient dort als „Gerüststoff“.
€- Cellulose ist die häufigst auftretende organische Verbindung auf der Erde. €
- Sie kommt in Grünalgen, Pilzen und Flagellaten vor.
€- Cellulose kommt rein als Baumwolle in Samenhaaren einer subtropischen Pflanze vor.
-€ Stroh besteht zu etwa 30 % aus Cellulose.
- Etwa 3*10 11 Tonnen Kohlenstoffverbindungen werden pro Jahr in pflanzlichen (95 %) und tierischen (5 %) Organismen produziert, davon entfallen 40 % auf Cellulose.

Struktur:

€- Cellulose hat die Summenformel (C6H10O5)n und ist somit ein Polysaccharid.
€- Cellulose besteht aus 1000-14000 D-Glucosebausteinen, die durch eine β-1,4- Verknüpfung verbunden sind [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] diese Verknüpfung wird β-glykosidische Verknüpfung genannt.
€- Auf Grund der vielen Glucosebausteine hat die Cellulose eine Molekülmasse über 1,8 Millionen u.
-€ Durch die β-glykosidische Verknüpfung entstehen lange, flache, bandartige Ketten, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten Bausteinen gestützt werden. €
- Feste Cellulosen bilden ein mikrokristallines (kristallin geordnet [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] parallelisiert) Gefüge; die Kettenmoleküle liegen in Faserrichtung. Dabei entstehen übermolekulare Strukturelemente: Fibrillen.
-€ Fibrillen [lat.: = kleine Faser, Fäserchen]: Elementarer Baustein tierischer und pflanzlicher Fasern. Bei Chemiefasern parallellaufende Molekülketten, aus welchen die Fibrillen aufgebaut sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eigenschaften:

€- Cellulose ist eine farb- und geruchlose Substanz.
€- Ohne zu schmelzen zersetzt sie sich bei 180°C und entflammt oberhalb von 290°C. €
- Sie quillt in Wasser stark auf.
€- Cellulose ist in Wasser unlöslich, da sie eine hohe Molare Masse und eine hochgeordnete Struktur besitzt.
- €Durch bestimmte Enzyme oder Säuren werden die β-glykosidischen Verknüpfungen gespalten [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] D-Glucose wird gebildet.
- €Cellulose kann im Körper nicht abgebaut werden, sie trägt also nicht zur menschlichen Ernährung bei.

Verwendung:

Die Rohcellulose wird in erster Linie zur Herstellung von Papier und Textilien verwendet. In weiterverarbeiteter Form entstehen Textilfasern, Folien und Sprengstoffe.

Papierherstellung

Bei der Papierherstellung in einer modernen Papierproduktionsfirma gibt es 15 Verarbeitungsstufen, bis das Holz zum Papier geworden ist. Diese Verarbeitungsstufen beginnen im Wald und enden beim Versand.

1. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Rohstoffquelle Wald

Der natürliche und nachwachsende Rohstoff Holz, in Form von Holzstoff, Zellstoff und/oder Altpapier, ist der wichtigste Ausgangsstoff für die Papierherstellung. Jedoch ist nicht jede Holzart zur Papierherstellung geeignet. Es eignen sich Fichte, Tanne, Kiefer, Buche und Birke auf Grund ihrer Faserstruktur. Die Zellstoff- und Papierindustrie nutzt vor allem Nebenprodukte, die in Sägewerken entstehen. Außerdem fällt bei der Durchforstung der Wälder „Schwachholz“ an, welches ebenso bei der Papierherstellung eingesetzt wird.

2. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Holzstoff

Hier wird das Fichtenholz, aus den Durchforstungen stammend, in 2 m langen Prügeln angeliefert und in geordneten Stapeln auf dem Holzplatz gelagert. Ebenso werden Schneeund Windbruchhölzer verarbeitet.

- Holz wird entrindet:

Die Prügel werden in einer rotierenden Trockenentrindungstrommel durch gegenseitige, mechanische Reibung von Bast und Rinde befreit. Dies geschieht ohne Chemikalieneinsatz.

- Holz wird zerfasert:

Das Holz wird unter Wasserzufuhr bei einer Temperatur nahe dem Siedepunkt mechanisch mit rotierenden Schleifsteinen zerfasert. Dabei entsteht Holzschliff. Die Ausnutzung der Holzsubstanz hierbei liegt bei nahezu 100 %.

- Holzschliff wird gebleicht:

Es folgt eine mehrstufige Sortierung. Zur Verfeinerung und Verbesserung der Holzschliffqualität wird der Holzschliff eingedickt und umweltfreundlich mit Wasserstoffperoxid (H2O2 ) gebleicht.

3. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Zellstoff

Um Zellstoff zu erhalten, werden Hackschnitzel, meist Sägewerksresthölzer, unter Druck und Temperatur mit Hilfe von Säuren oder Laugen chemisch aufgeschlossen. Dadurch trennen sich faserige und nichtfaserige Bestandteile. Es entstehen sehr geschmeidige lange Fasern mit hohen mechanischen Festigkeiten. Dieser Zellstoff erreicht eine Papierfabrik in 200 kg schweren abgepackten Ballen und muss dort wieder aufgelöst werden. Dies geschieht in „Pulpern“, das sind große Auflösgeräte. So entsteht ein pumpfähiges Faser-Wasser-Gemisch.

4. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Altpapier

Das Altpapier muss neu aufbereitet werden. Das heißt, es wird aufgelöst und von den Druckfarben befreit.

5. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Stoffzentrale

Alle Rohstoffe gelangen nach ihrer Aufbereitung zur Stoffzentrale. Dort steuert ein Regelsystem die Stoffproportionen, die zur Papierherstellung nötig sind. In der Regel sind dies 90 % Faserstoffe und 10 % Füll- und Hilfsstoffe. Der Ganzstoff, das sind alle Rohstoffe, wird vor dem Stoffauflauf äußerst stark mit dem Kreislaufwasser der Papiermaschinen verdünnt, gereinigt und von Luftbläschen befreit. Die bisher angefallenen Papierabfälle werden bei dieser Verarbeitungsstufe wieder in den Produktionsprozess zurückgeführt.

6. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Stoffauflauf

Die Bestandteile des Papiers werden in der Papiermaschine so aufgebracht, dass sich ein homogener Faserverbund ergibt. Also ein Faserverbund der gleichförmig und gleichartig ist. Der Hochturbulenz-Stoffauflauf einer Papiermaschine verteilt den hochverdünnten Ganzstoff gleichmäßig über die gesamte Siebbreite. 100.000 Liter Faser-Wasser-Gemisch mit nur 500 kg Faseranteil schießen innerhalb einer Minute mit einer Geschwindigkeit von 72 km/h durch genau 1.254 wabenförmige Öffnungen. Durch dies wird eine bestmögliche Faserorientierung erzielt. Außerdem erhält das Papier durch eine automatische Querprofilregelung ein gleichmäßiges Querprofil.

7. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Siebpartie

Im sogenannten „Duoformer“ beginnt nach dem Stoffauflauf bereits wieder der Entwässerungsprozess. Dort wird die Flüssigkeit über zwei endlos umlaufende, feinmaschige Kunststoffsiebe transportiert. Das Resultat hieraus ist ein nahezu symmetrischer Blattaufbau und eine weitgehende Gleichseitigkeit der Oberflächen.

8. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Pressenpartie

Hier erfolgt die Entwässerung des feuchten, äußerst zugsensiblen Faservlieses durch den mechanischen Druck von Walzenpaaren. Durch diesen Pressvorgang wird das Papiergefüge verdichtet und die Festigkeit erhöht. Nach diesem Vorgang hat das Papier einen Trockengehalt von rund 45 %.

9. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Trockenpartie

Das verbliebene Restwasser wird aus dem Papier verdampft. Hierbei wird ein Trockengehalt von rund 96-98 % erreicht.

10. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Aufrollung

Hier wird die Blattdicke durch ein 2-Walzen-Glättwerk gleichmäßig und das Dickenquerprofil optimiert. Das Papier wird auf einer Breite von 7,60 m zu einem über 20- Tonnenschweren Tambour aufgerollt.

11. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Die Streichmaschine

Mit einer Geschwindigkeit von bis zu 85 km/h wird die Streichfarbe über ein Düsenauftragswerk aufgetragen. Diese Farbe wird im Überschuss aufgetragen, da ein Streichmesser danach für das richtige Strichgewicht und die optimale Verteilung der Streichfarbe sorgt.

12. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Kalandar

Hier erfolgt die „Satinage“ des gestrichenen Papiers, das heißt, die Oberfläche wird geglättet und die gewünschte Oberflächencharakteristik des Papiers wird hergestellt.

13. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Rollenschneider

Bei einer Laufgeschwindigkeit der Tambouren von bis zu 120 km/h wird hier das Papier geschnitten.

14. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Packanlage

Die geschnittenen Rollen gelangen über ein Fördersystem zur halbautomatischen Rollenpackanlage. Dort wird jede Rolle feuchtigkeitsdicht versiegelt.

15. Verarbeitungsstufe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Versand

Verpackt und versiegelt werden nun die Papiere per LKW, Bahn oder Schiff und Druck- und Verlagshäuser transportiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Literatur- und Quellennachweis:

- HAUPTMANN, Siegfried: Organische Chemie, S.652
- ALLINGER&CAVA&DEJONG&JOHNSON&LEBEL&STEVENS: Organische Chemie
- BREUER, Hans: dtv-Atlas zur Chemie Band 2, S.427
- Schüler Duden, Die Chemie, S.78-79
- FITTKAU, Siegfried: Organische Chemie 7. Auflage, S.169
- CHRISTEN, Hans Rudolf: Allgemeine Chemie, S.240
- ATKINS, P.W.: Moleküle- Die Chemischen Bausteine der Natur, S.105, S.113-115
- http://www.mdpapier.de/deutsch/html/d_papierwissen/d_00_con_papiergeschichte_00.htm
- http://www.mdpapier.de/deutsch/html/d_papierwissen/d_00_con_papierherstellung_00.htm