Faserrohstoffe
Der Faserrohstoff sollte ganzjährig und ausreichend verfügbar, ökonomisch zu gewinnen und zu transportieren sein. Er sollte eine ausreichende Reinheit besitzen.
Faserrohstoffe, die diese Anforderungen erfüllen können sein:
- Holz
- Altpapier (Sekundärfaserstoff)
- Baumwolle
- Einjahrespflanze
- Polymere
- Glas
Im Folgendem wird der Fokus auf den Aufbau von Holz gelegt. Im Anschluss folgen kleinere Abschnitte zu den Altpapieren und zur Baumwolle. Die restlich genannten Faserrohstoffe haben eine geringe Bedeutung in der Papierindustrie und finden häufig ihre Anwendung nur in Spezialfällen.
Holz
Den Rohstoff für Holz stellt der Baum dar. Wie sicherlich bekannt gibt es verschieden Arten von Bäumen, so unterscheidet man zwischen Laub- und Nadelbäumen. Die wichtigsten Bäume sind im Folgendem aufgelistet.
| Nadelbäume | Laubbäume |
| Kiefer | Birke |
| Fichte | Buche |
| Tanne | Pappel |
| Douglasie | Eukalyptus |
Wir betrachten den schematischen Aufbau eines Baumes. Dieser besteht aus der ihn schützenden Rinde, die sich aus Borke (Außenrinde) und Bast (Innenrinde) zusammensetzt. Darunter befindet sich das Kambium, dem Wachstumsgewebe. Sie besteht nur aus einer einzelnen Zelllage und ist für den Nährstofftransport und -speicherung verantwortlich. Nach Innen hin bildet es das Splintholz. Die Jahresringe bestehen aus jeweils einer Schicht Spät- und Frühholz. In der Mitte befindet sich das Kernholz mit dem Mark.
Die Rinde ist für den Papiermacher von geringer Bedeutung. Wichtiger ist der entrindete Stamm des Baumes. Er besteht aus den für die Papierherstellung benötigten Fasern. Beim Nadelbaum sind es die länglichen Tracheiden und beim Laubbaum die kürzeren Libriformfasern, sowie die Gefäßzellen. Dass Nadelhölzer längere Fasern besitzen, kann man sich einfach mit der Nadelform der Blätter merken, da sie sich ähnlich sind.
Als Parenchymzellen werden die noch lebenden Zellen bezeichnet. Sie befinden sich im jugen, frisch gebildeten Holz und in den Markstrahlen. Die Tracheiden sind langgestreckte, faserförmige Zellen mit verstärkter Zellwand. Im Baum übernehmen sie wegen ihrem großen Lumen den Wassertransport. Außerdem sorgen sie für Stabilität. Aus den Tracheiden bilden sich die stark verholzten Zellen des Laubholzes, die Libriformzellen. Sie bestehen fast nur aus Zellwänden und übernehmen maßgeblich die Stützfunktion. Zuletzt gibt es noch die Gefäßzellen, die dem Wassertransport im Baum dienen.
Die einzelnen Fasern, die uns letzten Endes interessieren, folgen einer in Schichten aufgebauten Struktur. Zwischen den Fasern befindet sich die aus Lignin bestehende Mittellamelle. Es hält die Fasern im Baum zusammen, wirkt sozusagen wie eine Kittsubstanz. Die äußerste Faserschicht wird Primärwand bezeichnet, die darunterliegende als Sekundärwand 1 . Durch ihren relativ hohen Ligningehalt sind sie jedoch von geringerer Bedeutung. Höhere Wichtigkeit erfährt die Sekundärwand 2. In ihr befindet sich ein hoher Anteil an Hemicellulosen, die im Papier die Festigkeit steigern. Schließlich folgen die Sekundärwand 3 (auch Tertiärwand genannt) und das Lumen. Das Lumen dient im Baum dem Wassertransport.
Die Fasern bestehen aus Cellulose. Sie sind neben der Hemicellulosen, dem Lignin und einigen Begleitstoffen wie Harz und Minerale (Mangan, etc.) Bestandteil vom Holz. Zum Harzgehalt lässt sich sagen, dass die Kiefer mit einem mittlerem Harzgehalt von 2-5 % deutlich harziger ist als eine Fichte mit mittlerem Harzgehalt von 1,7-2,2 %.
Das im Holz enthaltene Lignin ist eine polymere, amorphe, hydrophobe Substanz. Es vergilbt bei UV-Einstrahlung und im alkalischen (Alkalivergilbung). Wegen seines Aufbaus kann es im späteren Papier keine Festigkeiten im Fasergefüge ausbilden. Aus diesen Gründen ist es ein unerwünschter Stoff, der daher entweder entfernt wird (Kochung) oder seine Nachteile soweit herabgesetzt werden, dass sie nicht mehr stören (Bleiche).
Einen Großteil des Holzes bilden Cellulose und die Hemicellulose. Aus Kohlendioxid und Wasser enstehen unter Einwirkung von Lichtenergie und Blattgrün (Chlorophyll) zwei Arten von Glukose, zum einem β-D-Glukose (Stärke) und zum anderen α-D-Glukose (Cellulose).
Daher wird auch schnell ersichtlich, dass Hemicellulose in Säuren leichter zu lösen ist als Cellulose. Durch seine Struktur ist es sehr quellbar (kann Wasser aufnehmen). Im Papier unterstützt es die Festigkeit. Wichtig für die Festigkeit sind die OH-Gruppen. Die Cellulose ist im Gegensatz zur Stärke gerade gebaut (Stärke ist helixförmig). Sie besitzt nur wenige Carboxylgruppen und ist daher schwach anionisch. Die Hemicellulose dagegen besitzt mehr Carboxylgruppen, ist stärker anionisch und unterstützt daher die Festigkeiten. Auf den Bindungsvorgang wird noch eingegangen.
Eigenschaften oft verwendeter Hölzer
Nadelhölzer, Langfasern
Kiefer
- Hell
- Sehr harzig
⇒ Nur für Sulfat-Zellstoff
Fichte
- Weichholz
- Hell
- Relativ geringer Harzgehalt
⇒ Für alles geeignet, wichtigster Baum für Holzschliff
Laubhölzer, Kurzfasern
Birke
- Hartholz
- Harzreich
⇒ Nur für Sulfat-Zellstoff
Buche
- Hartholz
- Dunkel
- Harzarm
⇒ Für beide Kochungen geeignet
Pappel
- Weichholz
- Hell
- Harzarm
⇒ Für alles geeignet
Eukalyptus
⇒ Nur für Sulfat-Zellstoff
Altpapier
Altpapier ist in der Vergangenheit ein sehr beliebter Rohstoff zur Papierherstellung geworden. Das liegt mitunter an dem Energiebedarf für die Faserstoffherstellung. Während große Energiemengen bei den Kochungen und noch mehr bei den Schleifverfahren benötigt werden um einzelne Fasern freizulegen ist dies bei Altpapier praktisch schon der Fall. Eine Sortierung und gegebenenfalls eine Druckfarbenentfernung ist für die meisten Anwendungen unabdingbar. Altpapier wird in seiner Qualität klassifiziert. Je besser die Qualität (viele Frischfasern, wenig Druckfarben, etc.), umso höher ist die Gruppe:
- Untere Sorten
- Mittlere Sorten
- Bessere Sorten
- Krafthaltige Sorten
- Sondersorten
Baumwolle
Baumwollfasern sind sehr rein und ca. 4 mm lang. Das liegt an ihrem hohem Polymerisationsgrad. Durch ihre Länge sind sie zudem sehr beanspruchbar. Daher finden sie in Papieren, die oft gefaltet werden, wie etwa in Geldscheinen.
Genauer genommen werden die Linters für die Papierproduktion eingesetzt. Sie sind Nebenprodukt bei der Baumwollherstellung. Beim der Verarbeitung zu Garnen der Fruchtflocke bleibt der Samen zurück. Die Fasern um die Samenkapsel, die Linters, sind für die Textilindustrie zu kurz und zu gelb, für die Papierindustrie jedoch hervorragend geeignet.