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Papier

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Dieser Artikel befasst sich mit dem Material Papier. Weitere Bedeutungen unter: Papier (Begriffsklärung)


Papier (von französ.: papier, aus griech.: pápyros Papyrusstaude) besteht vorwiegend aus pflanzlichen Fasern, die wenige Millimeter bis zu einigen Zentimeter lang sind. Normalerweise wird Papier in dünnen Schichten verwendet; es kann aber auch zu massiven Objekten geformt werden (Pappmaché). Papier wird in der Regel aus Holzschliff oder Zellstoff hergestellt.

Der kulturell wichtigste Papiertyp ist das Schreibpapier. Daneben wird Papier als Packmaterial in vielen verschiedenen Formen (siehe z.B. Pappe), in der Wohnungseinrichtung (Tapete, in Japan und China in den vielfältigsten Anwendungen) und als Hygienepapier, sowie zum Basteln und Werken verwendet.

Geschichte des Papiers

Bevor es Papier gab

Höhlenzeichnungen sind die ältesten Dokumente, die der Mensch mit Pigmentfarbe auf einen Untergrund gezeichnet hat. Die Sumerer, die älteste bekannte Hochkultur, schrieben auf Tontafeln (Keilschrift) (ab ca. 3300 v. Chr.). Aus Ägypten ist beispielsweise die Prunkpalette des Königs Narmer 3100 v. Chr. aus Speckstein erhalten.

Antiker ägyptischer Papyrus

Es wurden auch schon organische Schriftträger wie Leder, Pergament, Holz, Rinde, Papyrus (Ägypten ab ca. 3000 v. Chr.) und Papier verwendet, über die wir nur von Zeichnungen auf haltbarerem Material wissen.

Papyrus besteht aus den flach geschlagenen, über Kreuz gelegten und gepressten Stängeln einer Pflanze (Echter Papyrus). Geschrieben wurde darauf mit schwarzer und roter Farbe. Die schwarze Tusche bestand aus Ruß und einer Lösung von Gummi arabicum, die rote Farbe wurde auf Ocker-Basis hergestellt. Das Schreibgerät war ein Pinsel aus Binsen.

Zwar gab es auch Papyrus im antiken Griechenland, jedoch war eine Verbreitung über Griechenland hinaus kaum bekannt. Im 3. Jahrhundert ersetzten die Griechen den Pinsel durch eine gespaltene Rohrfeder. Von dem griechichen Wort pápyros leitet sich das Wort Papier ab.

Daneben wurde auf Pergament (feinem, nicht gegerbtem Leder) geschrieben.

Im Römischen Reich nutzte man sowohl Papyrus als auch Wachstafeln, in die der Text mittels eines angespitzten Stöckchens geritzt wurde. Mit einem Schaber konnte man das Wachs wieder glätten und die Tafel erneut beschreiben. In Indien verwendete man Blätter von Palmengewächsen und in China Tafeln aus Knochen, Muscheln, Elfenbein. Später bestanden die Tafeln aus anorganischem Material, wie Bronze, Eisen, Gold, Silber, Zinn, Jade, Stein und Ton, sowie aus organischem Material, wie Holz, Bambusstreifen und Seide. Dagegen wurden Pflanzenblätter und Tiehäute nicht als Schriftträger benutzt. Die Orakelknochen wurden mit Griffeln geritzt oder mit Tinte aus Lampenruß und Zinnober beschriftet.

Die Erfindung des Papiers

Die chinesische Erfindung des Papiers wird in einem Bericht von Fan Yeh, aus dem 5. Jahrhundert (späte Han-Dynastie), so berichten:

Von alters her wurden zum Schreiben Bambusstreifen verwendet, die man zusammenband. Es gab auch ein Papier, das aus Seidenabfällen hergestellt war (Chi). Aber die Seide war zu teuer und die Bambustafeln waren zu schwer, beide also zur Verwendung nicht geeignet. So fasste Tsái Lun den Plan, aus Baumrinde oder Bastfasern, Hanf und auch aus alten Lumpen und Fischnetzen, Papier zu bereiten. Im Jahre 105 n. Chr. berichtete er darüber dem Kaiser, und dieser lobte seine Fähigkeiten. Seitdem wurde das Papier allgemein gebraucht, und im gesamten Kaiserreich nannten es alle das Papier des gnädigen Tsái.

Bereits zuvor war Papier aus Hanf bekannt, wie fünf Papierfunde aus den Jahren 1973 bis 1978 belegen. Die vergleichende Datierung ergab, dass diese Papierproben aus der Zeit 140 bis 87 v. Chr. stammen müssen. Dem mischte Tsái Lun noch alte Lumpen und Fischnetzen bei und ergänzte es mit Bast des Maulbeerbaumes. Die Verwendung von Maulbeerbast lag nahe, da der Seidenspinner sich von den Blättern des Maulbeerbaums ernährt und somit dieses Material ein Koppelprodukt aus der Seidenproduktion ist. Wie alt die Verwendung von Bast ist, belegt die Gletschermumie Ötzi (ca. 3.300 v. Chr)), die Kleidungsstücke aus Lindenbast trägt.

Die chinesische Erfindung bestand in der neuartigen Zubereitung: Die gesäuberten Fasern und Fasernreste werden zerstampft, gekocht und gewässert. Beim anschließenden Trocknen des entstehenden Breis verfilzen die Pflanzenfasern und bilden ein relativ homogenes Papierblatt.

Da Bast ein Material ist, das im Vergleich zu dem heute verwendeten Holz längere Fasern und dadurch eine hohe (zeitliche) Haltbarkeit hat, war das Papier von Tsái Lun nicht nur zum Schreiben verwendbar, sondern auch für Raumdekorationen und Kleidungsstücke.

Die Verbreitung des Papiers

Papier in der asiatischen und ozeanischen Welt

Bereits im 2. Jahrhundert gab es in China Papiertaschentücher und im Jahr 363 erschien die erste Ausgabe der Pekinger Zeitung (1936 eingestellt).

Im 6. Jahrhundert stellte man Toilettenpapier aus billigstem Reisstrohpapier her. Alleine in Peking wurden jährlich 10 Millionen Päckchen mit 1000 bis 10 000 Blatt produziert. Die Abfälle an Stroh und Kalk bildeten bald große Hügel, Elefanten-Gebirge genannt. Für Zwecke des chinesischen Kaiserhofes stellte die kaiserliche Werkstatt 720.000 Blatt Toilettenpapier her. Für die kaiserliche Familie waren es noch einmal 15.000 Blatt hellgelben, weichen, parfümierten Papiers.

Bekannt ist, dass um das Jahr 300 die Thais die Technik des schwimmenden Siebs zur Papierherstellung verwendeten und um das Jahr 600 die Technik des Schöpfsiebs in Korea und um 625 in Japan verwendet wurden.

Die Amtsrobe der japanischen Shintō-Priester, die auf die Adelstracht der Heian-Zeit (794-1185) zurückgeht, besteht aus weißem Papier (Washi) und in Polynesien und Melanesien werden die traditionellen Stoffe aus Tapa-Rindenbaststoff, das vorwiegend aus Maulbeerbaum-Bast besteht, hergestellt.

Papiergeld

Kaiser Gaozong (650 bis 683, T'ang-Dynastie) ließ erstmals Papiergeld ausgeben. Auslöser war ein Mangel an Kupfer für die Münzprägung. Seit dem 10. Jahrhundert hatten sich Banknoten in der Song-Dynastie durchgesetzt. Ab etwa 1300 waren sie in Japan, Persien und Indien im Umlauf und ab 1396 in Vietnam unter Kaiser Tran Thuan Tong (1388 - 1398).

Im Jahr 1298 berichtete Marco Polo über die starke Verbreitung des Papiergeldes in China, wo es zu dieser Zeit eine Inflation gab, die den Wert auf ca. 1 % des ursprünglichen Wertes fallen ließ. Im Jahre 1425 (Ming-Dynastie) wurde das Papiergeld allerdings wieder abgeschafft, um die Inflation zu beenden.

Um das in Umlaufbringen von Falschgeld zu erschweren wurde Papiergeld zeitweise aus einem Spezialpapier gefertigt, welches Zusätze an Seidenfasern, Insektiziden und Farbstoffen enthielt.

Papier in der arabischen Welt

Wann genau das erste Papier in der arabischen Welt produziert wurde, ist nicht unumstritten. So wird als Datum 750 oder 751 genannt, als vermutlich chinesische Gefangene bei einem Grenzstreit die Technik der Papierherstellung nach Samarkand gebracht haben sollen. Anderseits gibt es Erkenntnisse, die zu der Annahme führen, dass in Samarkand bereits 100 Jahre früher Papier bekannt war und auch hergestellt wurde.

Als Papierrohstoff benutzte man Flachs und Hanf und so hatten die Araber bald eine blühende Papierindustrie aufgebaut.

In Bagdad errichtete man um 795 eine Papiermühle, 870 erschien dort das erste Papierbuch. In den Kanzleien des Kalifen Harun ar-Raschid wurde auf Papier geschrieben. Es folgten Papierwerkstätten in Damaskus, Kairo, in nordafrikanischen Provinzen bis in den Westen.

Die Araber entwickelten die Herstellungstechnik weiter. Das Schöpfsieb aus Metalldraht ermöglichte es nun, Wasserzeichen zu verwenden. Durch Verwendung von Stärke konnte die Leimung (dünner Überzug um Papier glatter und weniger saugfähig zu machen, die Tinte oder Tusche verläuft weniger stark) deutlich verbessert werden.

Genormte Flächenmaße wurden eingeführt. 500 Bogen waren ein Bündel (rizmar), worauf der heute noch in der Papierwirtschaft übliche Begriff Ries zurückgeht.

Vom 8. bis zum 13. Jahrhundert dauerte die hohe Blütezeit des islamischen Reiches. Als Kulturzentrum zog Bagdad Künstler, Philosophen und Wissenschaftler, insbesondere Christen und Juden aus Syrien an.

Papier in Europa

Über den Kulturkontakt zwischen dem christlichen Abendland und dem arabischen Orient sowie dem islamischen Spanien gelangte das Schreibmaterial seit dem 12. Jahrhundert nach Europa. In San Felipe (Xativa) bei Valencia gab es nach einem Reisebericht von Al-Idrisi bereits in der Mitte des 12. Jahrhunderts eine blühende Papierwirtschaft, die auch in die Nachbarländer hochwertige Produkte exportierte. Auch nach der Vertreibung der Araber aus Spanien blieb das Gebiet um Valencia bedeutend für die Papierwirtschaft, da hier viel Lein angebaut wurde, welcher ein hervorragender Rohstoff für die Papierherstellung ist.

Mit der Ausbreitung der Schriftlichkeit in immer weitere Bereiche der Kultur (Wirtschaft, Recht, Verwaltung usw.) trat das Papier gegenüber Pergament seit dem 14. Jahrhundert seinen Siegeszug an. Mit dem Buchdruck auf billigerem Papier seit der Mitte des 15. Jahrhunderts war die Rolle des Pergaments als reines Luxusschreibmaterial besiegelt. Allerdings dauerte es bis ins 17. Jahrhundert, bis das Papier das vergleichsweise teure Pergament als Beschreibstoff endgültig verdrängt hatte.

Anfänge der Papierherstellung in einigen Ländern
1100 Spanien: San Felipe (Xativa) bei Valencia
1109 Siziliens ältestes auf Papier geschriebenes Dokument
1225 Frankreichs ältestes Papierdokument
1231 Für Urkunden verbietet Kaiser Friedrich II. die Verwendung von Papier
1236 Laut der Statuten Paduas sind Urkunden auf Papier ohne Rechtskraft
1246 Das Registerbuch des Passauers Dechanten Behaim aus italienischem Papier ist die älteste deutsche Papierhandschrift
1268 In Italien (Fabriano) wird Papier hergestellt (eventuell auch erst 1276)
1283 Papiermühle in Treviso
1293 Papiermühle in Bologna
1390 Deutschlands erste Papiermühle:
Die Gleismühl wurde von Ulman Stromer in Nürnberg gegründet
Weitere Papiermühlen:
1469 St. Pölten in Österreich
1494 Stevenage in England
1573 Klippan in Schweden
1575 Mexiko
1576 Moskau in Russland
1586 Dordrecht in Holland
1690 Germantown in den USA
Die Gleismühl bei Nürnberg

Die erste deutsche Papiermühle stand 1390 bei Nürnberg. Gegründet wurde die Gleismühl vom Ratsherren und Exportkaufmann Ulman Stromer. Stromer unternahm Geschäftsreisen, u.a. auch in die Lombardei und kam dort mit der Papierherstellung in Berührung. Stromer ließ Mitarbeiter und Erben einen Eid ablegen, die Kunst der Papierherstellung geheim zu halten.

Die Gleismühl bestand aus zwei Werkseinheiten. Die kleinere Mühle besaß zwei Mühlräder, die größere verfügte über drei, die mit Wasserkraft angetrieben wurden. (vgl. Wasserrad). Insgesamt wurden 18 Stampfen angetrieben.

1390 bis 1394 leitete Stromer selbst die Papiermühle und verpachtete sie dann gegen eine Pacht von "30 Ries gross Papier" an Jörg Tirman, seinen Mitarbeiter. Die Schedelsche Chronik von 1493 zeigt sie als früheste Darstellung einer Papiermühle auf der Darstellung der Stadt Nürnberg. Die Gleismühl brannte später ab.

Papier im vorkolumbischen Amerika

Auch schon im vorkolumbischen Amerika war Pflanzen-Papier bekannt. Bei den Maya hieß dieses Papier Huun und Amate bei den Azteken.

Papierherstellung

Unabhängig von der Faserart kann Papier in Handarbeit oder maschinell hergestellt werden.

Papier besteht hauptsächlich aus Zellulosefasern. Die Zellulose wird zunächst weitgehend freigelegt, also von Stärken, Harzen und anderen Pflanzenbestandteilen getrennt. Der so gewonnene Zellstoff wird mit viel Wasser versetzt und zerfasert. Diesen dünnen Brei nennt der Papiermacher "Stoff". Wenn dieser in einer dünnen Schicht auf ein feines Sieb gegeben wird, enthält er einen Wassergehalt von über 95%. Ein Großteil des Wassers tropft ab. Das Sieb muss bewegt werden, so legen sich die Fasern aneinander und bilden ein Vlies, das Papierblatt.

Wird auf dieses Sieb ein Muster aus Draht angebracht, lagern sich an dieser Stelle weniger Fasern ab und das Muster ist beim fertigen Papier zumindest in Gegenlicht als Wasserzeichen zu erkennen.

Vorindustrielle Produktion

Der Papierrohstoff wird zerkleinert und in Wasser gestampft. Daraus ergibt sich ein sehr dünner Brei. Die Fasern sind fein im Wasser verteilt.

Zunächst wurde Papier mit dem schwimmenden Sieb geschöpft. Das Bodengitter des Siebes war fest mit dem Rahmen verbunden. Jedes geschöpfte Blatt musste im Sieb trocknen und konnte erst dann herausgenommen werden. Entsprechend viele Siebe waren nötig. Diese Technik gelangte um das Jahr 300 zu den Thai.

Um das Jahr 600 gelangte die weiter entwickelte Technik des Schöpfens mit dem Schöpfsieb nach Korea und später nach Japan. Bei dem Schöpfsieb kann der Rahmen vom Sieb gelöst werden. Das frisch geschöpfte Blatt kann feucht entnommen und zum Trocknen ausgelegt werden. Diese Technik wird heute noch bei handgeschöpftem Papier verwendet.

In Japan verfeinerte man die Technik und setzte dem Faserbrei Pflanzenschleim der Wurzel des Abelmoschus manihot zu. Die Fasern waren nun gleichmäßiger verteilt, es traten keine Klümpchen mehr auf. Dieses Papier bezeichnet man als Japanpapier.

Daraus ergibt sich, dass das Schöpfsieb in der Zeit zwischen 300 und 600 erfunden wurde.

Der Prozess der Papierherstellung besteht aus rund 60 Arbeitsschritten.

Die benötigten Zellstofffasern wurden bis in die zweite Hälfte des19. Jahrhunderts aus abgenutzten Leinentextilien gewonnen (Lumpen, Hadern (von althochdt. hadara, "Schafspelz"))gewonnen.

Lumpensammler und -händler versorgten die Papiermühlen mit dem Rohstoff. Lumpen waren zeitweise so begehrt und rar, dass für sie ein Exportverbot bestand, welches auch mit Waffengewalt durchgesetzt wurde.

In den Papiermühlen wurden die Hadern in Fetzen geschnitten, manchmal gewaschen, einem Faulungsprozess unterzogen und schließlich in einem Stampfwerk zerfasert. Das Stampfwerk wurde mit Wasserkraft angetrieben.

Die Rohstoffaufbereitung erfolgte noch im 17. Jahrhundert in handwerklich organisierten Betrieben sowie teilweise in größeren Manufakturen mit einen höheren Grad der Arbeitsteilung. Im frühen 18. Jahrhundert wurden halbmechanische Lumpenschneider eingeführt, die zunächst nach dem Fallbeilprinzip sowie später nach dem Scherenprinzip arbeiteten.

In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts ging man dazu über, die Hadern statt des Faulens und Reinigens mit Chlor zu bleichen. Der Verlust an Fasern war so geringer, es konnten außerdem auch farbige Stoffe verarbeitet werden.

Der Papyrer aus Jost Ammans Ständebuch, 1568

Aus dem dünnen Papierbrei (Stoff) in der Bütte (= Bottich, daher der Name des Büttenpapiers) schöpfte der Papiermacher das Blatt mit Hilfe eines sehr feinmaschigen, flachen, rechteckigen Schöpfsiebes aus Kupfer von Hand. Das Schöpfsieb zeichnet sich durch einen abnehmbaren Rand, den Deckel aus. Die Größe des Papierbogens wurde von der Größe des Siebes bestimmt.

Nun drückte der Gautscher den frischen Bogen vom Sieb auf ein Filz ab, während der Schöpfer den nächsten Bogen schöpfte. Nach dem Gautschen wurden die Bögen in großen trockenen Räumen, vornehmlich auf Speichern und Dachböden zum Trocknen aufgehängt. Anschließend wurde das Papier nochmals gepresst, geglättet, sortiert und verpackt. Handelte es sich um Schreibpapier, wurde es geleimt. Dazu wurde es in Leim getaucht, gepresst und getrocknet. Der Leim hindert die Tinte am Verlaufen.

Bei Handarbeit, die heute in der Regel nur bei Fasern - und somit Papier - hoher Qualität angewendet wird, ist die Ausrichtung der Fasern in alle Richtungen gleich.

Der moderne technische Durchbruch begann sich mit der Erfindung des Holländers um 1670 abzuzeichnen. Es handelt sich um eine Maschine, die den Faserbrei (Pulpe), der das Ausgangsmaterial für jede Papierherstellung ist, nicht mehr aus Lumpen, sondern überwiegend alten Seilen, Schiffstauen und Fischernetzen gewinnt. Diese sehr festen Materialien wurden zunächst in der Kapperij, einem Stampfwerk mit wenigen Stempeln und scharfen Schneidmessern, zerkleinert und dann in einem Kollergang weiter zerkleinert. Der Holländer wurde in deutschen Papiermühlen ab etwa 1710 eingesetzt.

Der historische Beruf des Papiermachers

Ein Papiermacher ist ein Handwerker, der Papier herstellt, in der Regel in einer Papiermühle mit entsprechenden Produktionseinrichtungen.

In der größten Zahl der Fälle hat jeder leitende Papiermüller ein Wasserzeichen verwendet, das allein für seine Wirkungszeit typisch war. Da die Papiermacher ein Sonderberuf mit einer ausgeprägten Berufstradition innerhalb bestimmter Familien waren, so ergänzen sich genealogische und Wasserzeichenforschung gegenseitig. Aus diesem Grunde ist das Deutsche Buch- und Schriftmuseum in der Deutschen Bücherei in Leipzig zugleich Standort einer Papiermacherkartei (siehe Verkartung), in der die Daten von über 8.000 Papiermachern, Papiermühlenbesitzern, Lumpensammlern und Papierhändlern samt ihren Familien erfasst worden sind und einer Kartei der Papiermühlen mit den Papiermachern, die jemals auf ihnen erwähnt worden sind.

Die Industrialisierung der Papierherstellung

Saures Papier

Holzschleifer Schema
Holzschleifer im Industriemuseum "Alte Dombach" in Bergisch Gladbach

Seit etwa 1850 wurde der Holzschleifer eingesetzt, mit der die Papierherstellung aus dem billigeren Rohstoff Holz im industriellen Maßstab möglich wurde; um 1879 arbeiteten allein in Deutschland rund 340 solcher Holzschleifereien. Die Holzschliffpapiere erwiesen sich aufgrund von Säureresten aus dem Prozess der chemischen Aufschließung durch saures Ammoniumsulfit u.ä. als problematisch; mittel- und langfristig bildet sich im Papier Schwefelsäure, die das Papier braun und brüchig werden lässt oder es gänzlich zerstören kann; daher wird seit den 1980er Jahren für den Druck hochwertiger Publikationen überwiegend ein teureres, aber auch dauerhafteres säurefreies Papier verwendet.

Erfunden wurde das Holzschliffpapier von Friedrich Gottlob Keller (* 18161895).

Industrielle Papierherstellung

Rohstoffe

Die für das Papier notwendigen Ausgangsstoffe kann man in drei Gruppen einteilen: Die Zellulose, die Leimung und die Füllstoffe.

Die Zellulose ist ein Polysaccharid der Kohlenhydrate mit der chemischen Formel C6H10O5 und die häufigste organische Verbindung der Welt, aus der fast alle Zellwände von Pflanzen und Hölzern bestehen.

Zellulose besteht aus sehr vielen, kettenförmig miteinander verknüpften Glukoseresten. Die einzelnen Zellulosemoleküle sind also kettenförmige Makromoleküle, deren kleinste Glieder Glukoseeinheiten sind. Das Glukosemolekül (C6H12O6), das Monomer der Zellulose, bildet mit einem weiteren Glukosemolekül durch Lösung eines Wassermoleküls eine Zellobiose. Das Aneinanderreihen solcher Zellobiosen zu einer Kette bildet ein Zellstoffmolekül (es entsteht ein Polymer).

Die Kettenmoleküle bilden miteinander Mizellen, das sind Molekülbündel, aus denen sich die Fibrillen aufbauen. Erst eine größere Anzahl Fibrillen bilden die sichtbare Zellulosefaser. Die Molekülbündel bestehen aus kristallinen Bereichen (regelmäßige Molekül-Führung) und amorphen Bereichen (unregelmäßige Molekülführung). Die kristallinen Bereiche sind für die Festigkeit und Steifheit, die amorphen Bereiche für die Flexibilität und Elastizität des Papiers verantwortlich.

Die Länge der Kette, d.h. die Anzahl Monomere, variiert je nach Papierrohstoff und ist für die Qualität und Alterungsbeständigkeit von großer Bedeutung.

Zu 95 % wird Papier heute aus Holz hergestellt. Faserbildung und Härte des Holzes spielen bei der Auswahl als Papierrohstoff ein Rolle, nicht jedes Holz ist geeignet. Als besonders geeignet gelten

Nadelhölzer: Laubhölzer:

Die Verfügbarkeit und die regionalen Gegebenheiten bestimmen, welche Holzart als Primärrohstoff eingesetzt wird. Schnellwüchsige Hölzer, wie z.B. Pappeln kommen dem großen Bedarf entgegen.

Alle zellulosehaltigen Stoffe sind grundsätzlich zur Papierherstellung geeignet. Zunehmend ist die Bedeutung von Altpapier als Rohstoff. Stroh und Papierabfälle werden in geringen Mengen für weniger wertvolle Papiersorten eingesetzt. Der früher wichtigste Rohstoff, die Hadern (Lumpen) finden heute nur noch in verschwindend geringen Mengen Verwendung.

Einen Anteil von fast 50 % hat der Sekundärrohstoff Altpapier an den heute in Deutschland eingesetzten Rohstoffen für Papier, Pappe und Kartonagen. Da Altpapier bereits einmal zu Papier verarbeitet wurde, enthält es viele Zusatzstoffe und wurde bereits gemahlen. Die Fasern werden durch die erneute Verarbeitung zu Papier weiter geschädigt, der Anteil der Zusatzstoffe im Verhältnis zu den Faserstoffen nimmt weiter zu.

In Europa und Amerika werden vor allem Weizen und Roggen zur Strohfasergewinnung genutzt, aber auch Grassorten aus Nordafrika (Alfa- und Espartogras) können verwendet werden. In Japan verwendet man auch heute noch Reisstroh, in Indien den schnellwachsenden Bambus.

Hadern sind nur verwendbar, wenn sie Zellulose enthalten, also aus Leinen oder Baumwolle bestehen.

Aufbereitung von Halbstoff

Holz kann

  1. mechanisch
  2. chemisch

aufbereitet werden.

Mechanische Aufbereitung
  1. Weißer Holzstoff entsteht aus geschliffenen Holzstämmen. Dazu werden geschälte Holzabschnitte mit viel Wasser in Vier-Pressen-Schleifern oder Stetigschleifern zerrieben. (vgl. Holzschleifer) Im gleichen Betrieb wird die stark verdünnte Fasermasse zu Papier verarbeitet oder zum Versand in Pappenform gebracht. Dies geschieht mit Entwässerungsmaschinen.
  2. Brauner Holzstoff entsteht, wenn Stammabschnitte in großen Kesseln erst gedämpft und dann geschliffen werden.
  3. Thermomechanischer Holzstoff entsteht aus gehäckselten Holzabfällen und Hackschnitzeln aus Sägereien. Diese werden im TMP-Verfahren (Thermomechanisches-Refiner-Verfahren) bei 130 °C gedämpft. Die Lignin-Verbindungen zwischen den Fasern lockern sich dadurch. Anschließend werden die Holzstücke in Refinern (Druckmahlmaschinen mit geriffelten Mahlscheiben) und Zusatz von Wasser gemahlen. Thermomechanischer Holzstoff hat im Vergleich zum Holzschliff eine gröbere Faserstruktur. Werden außerdem Chemikalien zugesetzt, handelt es sich um das chemo-thermomechanische Verfahren (CTMP). Durch rein mechanische Verfahren gewonnener Holzstoff besteht nicht aus den eigentlichen Fasern, sondern aus zerriebenen und abgeschliffenen Faserverbindungen, diese werden verholzte Fasern genannt. Um die elementaren Fasern zu gewinnen ist eine chemische Aufbereitung des Holzes nötig.
Chemische Aufbereitung
Früher für die Papierherstellung verwendeter Säureturm

Holzschnitzen werden in einem Kochprozess chemisch behandelt. Die Fasern werden durch zwölf- bis fünfzehnstündiges Kochen von den Inkrusten, den unerwünschten Holzbestandteilen, Begleitstoffen von Zellulose getrennt. Chemisch betrachtet besteht Holz aus:

Es gibt Natron-, Sulfit- und Sulfatverfahren, die nach den eingesetzten Kochchemikalien unterschieden werden. Das Organocell-Verfahren ist eine neue Entwicklung.

Vor allem enthaltenes Restlignin färbt den Zellstoff nach dem Kochen gelblich bis braun, er muss also gereinigt und gebleicht werden. Restlignin und andere unerwünschte Stoffe werden beim Bleichen herausgelöst, chemische Aufhellung beseitigt Verfärbungen.

Der gebleichte Zellstoff (Zellulose) wird entwässert. Er wird nun zu entweder direkt zu Papier verarbeitet oder zu Rollen aufgewickelt.

Die Ausbeute ist bei der Zellstoffherstellung geringer, als bei der Holzstoffherstellung. Zellstofffasern aber haben den Vorteil, dass sie länger, fester und geschmeidiger sind. Aus Nadelholz gewonnene Zellstofffasern sind ca. 2,5 bis 4 mm lang, aus Laubholz gewonnene sind etwa 1 mm lang.

Der größte Teil, ca. 85 % des benötigten Zellstoffs, vor allem Sulfatzellstoff, werden aus den skandinavischen Ländern, USA und Kanada importiert. Sulfatzellstoff ist im Vergleich zu Sulfitzellstoff langfaseriger und reißfester, somit wird er hauptsächlich für die Herstellung hochweißer Schreib- und Druckpapiere verwendet. Sulfitzellstoff findet überwiegend Verwendung bei der Herstellung weicher Hygienepapiere.

Der Faserstoff muss gebleicht werden, damit daraus weißes Papier entstehen kann. Sulfatzellstoff wird konventionell mit Chlor gebleicht, wodurch das Abwasser mit Chlorkohlenwasserstoffen belastet wird, Sulfitzellstoff mit Wasserstoffperoxid oder Sauerstoff. Die alternative umweltfreundlichere Technik zur Chlorbleiche verwendet Sauerstoff und Chlordioxid. Als elementar chlorfrei wird der Zellstoff bezeichnet, als chlorarm das Papier (es sind noch Chlorverbindungen) vorhanden. Die Belastung für das Abwasser verringert sich nach Angaben der Papierindustrie um etwa 80 %. Chlorarme Druckpapier sind in hochweißer Qualität schon ab einer Flächenmasse von 51 g/m² herstellbar, chlorfreie erst ab 80 g/m².

Chlorfrei gebleichter Zellstoff hat eine geringere Faserfestigkeit als chlorgebleichter. Da er jedoch umweltverträglicher ist, setzt er sich zunehmend durch.

Vorwiegend aus Holzstoff hergestelltes Papier nennt man holzhaltig, im Handel mittelfein, da Lignin, Harze, Fette und Gerbstoffe im Faserbrei verbleiben, sind sie von geringerer Qualität als holzfreie Papiere.

Das Organocell-Verfahren

Das Organocell-Verfahren dient der schwefelfreien und damit umweltfreundlicheren Zellstoffproduktion. In mehreren Kochstufen werden die Holzschnitzel in einem Methanol-Wasser-Gemisch unter Zusatz von Natronlauge bei Temperaturen von bis zu 190° C unter Druck aufgeschlossen. Dabei lösen sich Lignin und Hemizellulose. Es folgen verschiedene Waschstufen, in denen der Zellstoff von der Kochflüssigkeit befreit wird sowie Bleichen und Entwässern.

Der Zellstoff wird in drei Stufen gebleicht:

  1. im alkalischen Milieu mit Sauerstoff unter Verwendung von Wasserstoffperoxid
  2. mit Wasserstoffperoxid oder Chlordioxid
  3. mit Wasserstoffperoxid

Methanol und Natronlauge, die Kochchemikalien werden in einem Recyclingverfahren, welches parallel zur Zellstoffproduktion abläuft zurückgewonnen. Es werden schwefelfreies Lignin und schwefelfreie Hemizellulose gewonnen, die von der chemischen Industrie verwendet werden können.

Strohzellstoff

Durch Zerkleinern und Kochen in Natronlauge wird aus Stroh der Halbstoff Strohzellstoff oder, bei anderer Aufbereitung, gelber Strohstoff.

Der Kugelkocher und der Pulper
Kugelkocher Schema
Kugelkocher im Industriemuseum "Alte Dombach" in Bergisch Gladbach

Im Kugelkocher werden Hadern gekocht. Dazu werden sie zunächst sortiert, im Haderndrescher gereinigt. Mit Kalklauge und Soda werden die Hadern unter Dampfdruck von 3 bis 5 bar im Kugelkocher gekocht. Dabei werden Farbstoffe zerstört, Fett verseift und Schmutz gelöst. Während des mehrstündigen Kochens lockert sich das Gewebe der Hadern und sie lassen sich anschließend leicht zu Halbstoff zerfasern.

Der Pulper (Stoffauflöser) ist eine Bütte mit rotierendem Propeller. In ihm wird nach Güteklassen sortiertes, zu Ballen gepresstes Altpapier mit viel Wasser zerkleinert und mechanisch aufgelöst. So werden die Fasern des Altpapiers geschont. Ein Arbeitsgang, der früher häufig mit dem Kollergang durchgeführt wurde. Der pumpfähige Faserbrei ist noch verunreinigt. Er gelangt im Pulper in einen Zylinder und wird von einem Rotor zerfasert. Dann wird der grob gelöste Stoff durch ein Sieb gedrückt. In Folge der Zentrifugalkraft werden grobe Verunreinigungen ausgeschieden. An der Zylinderachse sammelt sich der leichte Schmutz. Weitere Fremdstoffe wie Wachse und Druckfarben werden in Spezialanlagen herausgelöst.

De-inking (Entfärbung) von Altpapier

Druckfarben werden mit Hilfe von Chemikalien von den Fasern des Altpapiers gelöst. Durch Einblasen von Luft bildet sich an der Oberfläche des Faserbreis Schaum in welchem sich die Farbbestandteile sammeln und abgeschöpft werden können. Dieses Trennverfahren nennt man Flotation.

Aufbereitung zum Ganzstoff

Der Halbstoff wird durch Mahlung und Mischung zum Ganzstoff verarbeitet. Die Halbstoffe werden in Refinern (Kegelstoffmühle) weiter zerfasert. Als dicker Brei fließt das Halbfertigprodukt im Refiner zwischen einer Messerwalze und seitlich befestigten Grundmessern hindurch. Die Faser werden dabei zerschnitten (rösche Mahlung) oder zerquetscht (schmierige Mahlung), je nach Einstellung der Messer. Die Enden der gequetschten Fasern sind fibrilliert (ausgefranst), was bei der Blattbildung zu einer besseren Verbindung der Fasern führt.

  • Weiche, voluminöse, saugfähige und samtige Papiersorten entstehen aus rösch gemahlenen Fasern, z.B. Löschpapier.

Außerdem können die Fasern bei der Mahlung lang oder kurz gehalten werden. Es ergeben sich daraus vier verschiedene Möglichkeiten der Mahlung. Faserlänge und Mahlart bestimmen Faser- und Papierqualität. Übliche Kombinationen sind rösch/lang und schmierig/kurz. Lange Fasern verfilzen stärker als kurze.

Die Messer des Refiners liegen bei der Kurzfasermahlung sehr eng aneinander, Zwischenraum ist fast keiner mehr vorhanden.

Das Mischen der verschiedenen Halbstoffe sowie die Zugabe von Füll-, Leim- und Farbstoffen gehört zur Herstellung des Ganzstoffes.

Schematische Darstellung einer Langsiebpapiermaschine

Auf der Papiermaschine wird die Papierbahn gebildet. Folgende Maschinenstationen sind hintereinander geschaltet:

  • Stoffauflauf
  • Siebpartie
  • Nasspressenpartie
  • Trockenpartie
  • Aufrollung
Blattbildung

Die Blattbildung findet bei der industriellen Papierproduktion auf der Papiermaschine statt.

Der Papierbrei, welcher zu 99 % aus Wasser besteht, fließt nach mehrfacher Reinigung aus der Vorratsbütte auf die Siebpartie der Langsiebpapiermaschine. Auf dem endlosen Sieb, welches den Papierbrei transportiert, läuft ein sehr großer Teil des Wassers ab und die Papierstruktur entsteht. Soll das Papier ein Wasserzeichen enthalten, ist dieses in das Sieb eingearbeitet. Maschinell gefertigtes Papier hat zwei verschiedene Seiten: Die Siebseite und die glatte Filz- oder Schönseite. Bei Papieren aus maschineller Produktion verlaufen fast alle Fasern in eine Richtung (vgl. Laufrichtung).

Unter dem Sieb angebrachte Sauger tragen zur Entwässerung des Faserstoffs bei. Am Ende des Siebes erreicht die weiche Papierbahn den Filz der ersten Saugpresse/Gautschpresse.

In der Nasspresse wird das Papier weiter mechanisch entwässert. Der Nassfilz nimmt das ausgepresste Wasser auf.

In der Trockenpartie findet die endgültige Entwässerung statt. Hier läuft die Papierbahn durch eine Anzahl dampfbeheizter Hohlzylinder (Trockenzylinder) und wird anschließend geglättet und aufgerollt.

Der Papierbrei enthält außerdem:

Füllstoffe

Neben den Faserstoffen werden bis zu 30 % Füllstoffe dem Ganzstoff hinzugefügt. Füllstoffe können sein:

  • Kaolin (im engl. China Clay) (Porzellanerde)
  • Stärke
  • Blanc fixe
  • Titanweiß (Titandioxid)
  • Kreide

Durch das Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Fasern machen die Füllstoffe das Papier weicher und geschmeidiger und geben ihm eine glatte Oberfläche.

Die Zusammensetzung der Füllstoffe bestimmt Transparenz und Opazität eines Papieres sowie die Farbaufnahme beim Druck. Für die Tintenfestigkeit dagegen ist Leim notwendig.

Farbstoffe

Auch weiße Papiere enthalten Farbstoffe, die in unterschiedlichen Mengen zugesetzt werden. Auch optische Aufheller zählen zu den Farbstoffen. Es werden vor allem Teerfarbstoffe verwendet.

Leimstoffe

Leim macht das Papier tintenfest, weil weniger saugfähig und weniger hygroskopisch. Stark geleimte Papiersorten zeichnen sich durch eine hohe Reißfestigkeit aus. Die Leimstoffe sind künstliche oder organische Harze sowie Alaun.

gestrichenes Papier

Der Herstellung von Papier folgt oft die Veredelung in der Streichmaschine. Die Streichfarbe setzt sich aus unterschiedlichen Komponenten zusammen. Mögliche Elemente sind:

  • hochweißes Kaolin
  • Kalziumcarbonat

In der Streichmaschine wird die Streichfarbe im Überschuss mit einer Geschwindigkeit von bis zu 85 km/h durch ein Düsenauftragswerk auf das Papier aufgetragen. Für die optimale Verteilung der Streichfarbe sorgt ein Streichmesser (dynamic blade) mit einer besonderen Klingengeometrie und einem lasergesteuerten Durchbiegungsausgleich des Schaberbalkens. So wird das richtige Streichgewicht erreicht. Für manche Tiefdruckpapiere reicht 1 Teelöffel Streichfarbe zur Veredelung von 1 m² Rohpapier.

Zählmaße

1877 wurden in Deutschland die Zählmaße dezimal festgelegt:

1 Heft = 10 Bogen
1 Buch (B) = 10 Heft = 100 Bogen
1 Rieß, Ries = 10 Buch = 1 000 Bogen
1 Ballen = 10 Rieß = 10 000 Bogen
1 Pack = 15 Ballen = 150 000 Bogen

Papiereigenschaften

physikalische Papiereigenschaften

Grundsätzlich ist bei allen Messungen zu beachten, dass die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur einen sehr großen Einfluss auf die Messwerte haben. Deshalb findet die Messung immer in Klimaräumen mit einem nach ISO-Normen festgelegten Normklima (22° C, 50 % Luftfeuchtigkeit) statt. Meist wird die Papierprobe vor der Messung 24 Stunden lang in dem Raum gelagert, um sie zu akklimatisieren. Da die Messungen vom Flächengewicht (g/m²) des Papieres abhängen, werden sogenannte Normblätter mit einem nach ISO-Norm festgelegtem Flächengewicht verwendet.

Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit ist eine der zentralen physikalischen Werte bei der Papierherstellung, bei Kraftpapier ist sie sogar der wichtigste Wert. Die Maßeinheit der Zugfestigkeit ist N·m/g. Da die Zugfestigkeit vorwiegend vom Flächengewicht abhängt, wird tatsächlich der Zugfestigkeitsindex mit der Maßeinheit: kN/m verglichen.

Zur Bestimmung dieses Wertes wird eine Zerreißprobe gemacht. Dazu werden Papierstreifen einer genormten Länge und Breite mechanisch eingespannt, der sogenannte Reißapparat zieht die Probe auseinander und zeichnet die benötigte Kraft auf. Die im Moment des Zerreißens benötigte Kraft ist die Zugfestigkeit. Um einen Durchschnittswert zu erhalten, werden meist 10 Streifen zerrissen, wovon 5 längs der Laufrichtung und 5 quer zur Laufrichtung der Papiermaschine genommen werden. Als Nebenprodukt dieser Messung werden noch die Bruchdehnung und die Zugbrucharbeit ermittelt. Die Bruchdehnung wird in Prozent angegeben und gibt an, um wieviel Prozent der Papierstreifen sich im Moment des Bruchs verlängert. Die Zugbrucharbeit wird in J/m² angegeben und ist die aufgewendete Zugkraft pro Papierfläche.

Spezifischer Weiterreißwiderstand

Die Maßeinheit des spez. Weiterreißwiderstandes ist mN·m²/g. Diese Maßeinheit gibt an, wie leicht ein Papier, das bereits eingerissen ist, weiterreißt. Dazu wird das Papier mit einem Schnitt versehen und in das Reißfestigkeitsprüfgerät (nach Elmendorf) eingespannt. Durch einen Knopfdruck wird ein blockiertes Pendel ausgelöst, welches die Probe im Zuge der Pendelbewegung zerreißt und dabei die Kraft misst.

Berstdruck

Der Berstdruck gibt die benötigte Kraft an, um ein Papier zum Bersten zu bringen. Die Maßeinheit des Berstdruckes lautet kPa. Dazu wird das Normblatt in den Prüfapparat eingespannt und eine Membran mit genormter Fläche drückt mit ansteigender Kraft gegen das Papier. Die Kraft die beim Durchstoßen des Papiers aufgewendet wird, ist der Berstdruck.

Porosität

Die Porosität gibt an wieviel Luft ein Papier durchlässt. Die Maßeinheit der Porosität lautet Gurley. Dazu wird das Normblatt in den Prüfapparat eingespannt und der Prüfapparat drückt 100 mL Luft mit 1,23 kPa durch eine Prüffläche von 6,42 cm² und misst die dafür benötigte Zeit. Eine Zeitdauer von einer Sekunde entspricht dabei einem Gurley.

Die Laufrichtung

Papiermaschine für den Laborbetrieb

Während bei der Papierherstellung von Hand die Fasern gleichmäßig in allen Richtungen liegen, tritt bei der maschinellen Papierherstellung, die auf einem Endlosband erfolgt, eine (teilweise) Ausrichtung der Fasern längs des Bandes auf. Man spricht von der Laufrichtung des Papiers und unterscheidet zwischen der Maschinenrichtung (in Laufrichtung) und der Querrichtung (quer zur Laufrichtung).

In Abhängigkeit von der vorherrschenden Faserrichtung beeinflussen Feuchtigkeit, Temperatur und Alterung das Papier. Bei einer ungleichmäßigen Ausrichtung ändert somit jede Karte im Laufe der Zeit und mit dem Wechsel der Witterung bzw. des Raumklimas ihren genauen Maßstab unterschiedlich in den beiden Richtungen. Nur durch spezielle bzw. geschichtete Papiersorten kann dieser Effekt bei maschinell produzierten Papieren verringert werden.

Bei der Herstellung von Büchern (und anderen gebundenen Gegenständen) ist darauf zu achten, dass die Laufrichtung aller Seiten (und des Buchdeckels) parallel zum Buchrücken verläuft, da Papier sich immer quer zur Laufrichtung ausdehnt. Andernfalls bricht das Buch leicht an der Bindung auseinander bzw. lässt sich schlecht durchblättern.

Durch das Aufeinanderkleben mehrerer Papierschichten abwechselnder Laufrichtung erhält man sehr starres Papier (vergleichbar zum Sperrholz), wie beispielsweise der mindestens dreilagige Bristol-Karton.

Alterungsbeständigkeit

Die Anforderungen bezüglich der Alterungsbeständigkeit von Büchern sind in den sogenannten Frankfurter Forderungen der Deutschen Bibliothek und der Gesellschaft für das Buch, sowie in der US-Norm ANSI/NISO Z 39.48-1992 und ISO-Norm 9706 fixiert.

Verwendung

Papier zum Beschriften

Beim Beschriften wird ein Farbstoff (z. B. Tinte, Toner und Druckfarbe) mit einem Gerät auf Papier aufgetragen. Dies kann von Hand mit einer Schreibmaschine, einem Füllfederhalter, einem Bleistift oder einem Federkiel geschehen. Seit der Erfindung des Buchdrucks gibt es Maschinen, die einen Text seitenweise auf Papier übertragen können. Dies ist mit einer Druckmaschine millionenfach und z. B. mit einem Laserdrucker für nur wenige Seiten möglich.

Während zu Anfangs noch der zur Verfügung stehende Rohstoff die Eigenschaften des Papiers bestimmte, kann heute Papier den Anforderungen angepasst werden. Bilderdruckpapier zum Kunstdruck, zum Zeitungsdruck ein billiges, reißfestes Papier und als Kopierpapier holzfreies, ungestrichenes Papier.

Papier in der Bildenden Kunst

Pappmaché ist ein Gemisch aus Papier, Bindemittel und Kreide oder Ton, das im 18. Jahrhundert als Ersatz für Stuck in der Innenausstattung verwendet wurde. So gab es in Ludwigslust eine Manufaktur, in der aus alten Akten Deckenverzierungen, Büsten, etc. und sogar Statuen, die wenige Monate im Freien aufgestellt werden konnten, hergestellt wurden.

Heute findet man Papier im Modellbau, in der japanischen Papierfaltkunst Origami und bei Collagen und Assemblagen.

Aquarellpapier für Aquarelle hat ein Flächengewicht von bis zu 850 g/m² und Fotopapier muß speziell beschichtet werden, um als Träger der Farbstoffe für z.B. Tintenstrahldrucker oder die Fotos zu dienen.

Technische und Spezialpapiere

Pappe hat ein Flächengewicht von mindestens 600 g/m² und 1,5 mm Dicke. Dünneres Material, ab 130 g/m², heißt Karton und wird vorwiegend als Kartonage verwendet. Mit einer Kunststoffbeschichtung und eventuell einer Aluminiumfolie als Zwischenlage kann sie als Getränkekarton sogar Flüssigkeiten verpacken. Die verbreitetste Pappe ist die Wellpappe, die in den vielfältigsten Sorten vorkommt. Pappe und Kartons werden vorwiegend aus Recyclingpapier produziert, da es hierbei nicht so sehr auf die Farbe des Materials ankommt.

Das Papier mit der größten, relativen Zugfestigkeit wird Kraftpapier genannt. Es besteht zu beinahe 100 % aus langfaserigen Zellstofffasern von Nadelhölzern. Es wird z. B. für Papiersäcke verwendet.

Toilettenpapier soll möglichst fest und in einer Kläranlage gut von den Bakterien aufschließbar sein.

Es gibt Kabelisolierpapiere, Medizinische Papiere, Klebezettel, Zigarettenpapier und Thermopapiere. Papiere finden sich ebenfalls in Metallpapierkondensatoren und Elektrolytkondensatoren, wo sie als Isolator oder Träger des flüssigen Elektrolyts dienen.

Fliegen mit Papier

Es gibt Flugdrachen aus Papier in China seitdem es dieses Material gibt.

Der 1783 erbaute Montgolfière, der Gebrüder Montgolfier, war ein Heißluftballon aus Leinwand, der mit einer dünnen Papierschicht luftdicht verkleidet war. Im Zweiten Weltkrieg produzierte Japan ca. 10.000 Gasballone aus Papier, die mit Lack gasdicht gemacht wurden und Brand- und Sprengsätzen (5-15kg) über den Pazifik nach Amerika transportierten.

Papiermarkt

Weltweit werden jährlich über 300 Millionen Tonnen Papier verwendet. Der Papierverbrauch pro Kopf lag im Jahr 2000 in der USA bei über 300 kg, in Westeuropa bei 200 kg und weltweit bei etwa 50 kg. In Deutschland gingen davon jeweils 30 % in Schreibpapiere und Verpachungen, 15 % in Zeitungspapiere und 25 % in Hygiene-Papiere, Pappen, Technische und Spezialpapiere.

Der Energieverbrauch liegt pro Kilogramm Papier bei etwa 8 kWh Energie. Recyclingpapier benötigt etwa 4 kWh und Umweltschutzpapier 2 kWh Energie.

Papiermuseen

Museum für Papier, Schrift und Druck in der Schweiz. Historische Papiermühle (1453) mit Ausstellungen zu Papier, Schrift und Druck. Werkstätten in Betrieb: Papierschöpferei, Schriftguss, Maschinensatz, Setzerei, Druckerei und Buchbinderei.

Siehe auch

Literatur

  • Wilhelm Sandermann: Papier, eine Kulturgeschichte. 3. Auflage. Springer Verlag, Berlin Heidelberg 1997 ISBN 3-540-55313-4
  • Sabine Schachtner: Größer, schneller, mehr: Zur Geschichte der industriellen Papierproduktion und ihrer Entwicklung in Bergisch Gladbach. Rheinland-Verlag, Köln 1996 ISBN 3-7927-1561-9
  • Uwe Baufeldt, Hans Rösner, Jürgen Scheuermann und Hans Walk: Informationen übertragen und drucken, Lehr- und Arbeitsbuch für das Berufsfeld Drucktechnik. 14. Auflage, Verlag Beruf + Schule, Itzehoe 2000, ISBN 3-88013-606-8

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