Výroba papíru

Suroviny pro výrobu papíru

V papírenském průmyslu představuje dřevo základní vstupní surovinu. Dřevo má tu výhodu, že neustále dorůstá, takže při rozumném hospodaření s lesy jsou jeho zdroje prakticky nevyčerpatelné. V současné době se papír vyrábí zejména z celulózy (buničiny), která se připravuje z těl jednoletých a víceletých rostlin a hlavně ze dřeva jehličnatých stromů. Z jehličnanů vyrobená celulóza (SOFTWOOD) má delší vlákna a tenčí stěny.  Naopak z listnatých stromů (osika, buk, topol, bříza) vyrobená celulóza (HARDWOOD) má vlákna kratší a stěny silnější. Z hlediska výtěžnosti je výhodnější jehličnaté dřevo. Přesto papírny využívají i dřevo listnatých stromů, protože krátkovláknitá celulóza vhodně vyplňuje prostor mezi dlouhými vlákny ve struktuře papíru. Takový papír pak vykazuje lepší potiskovatelnost – má uzavřenější povrch.

Základní složky dřeva

• celulóza (buničina)
• hemicelulóza (polobuničina)
• lignin

Hlavní složkou dřeva je celulóza (C₆H₁₀O₆). Dodává dřevu pevnost, pružnost a ohebnost. Celulóza tvoří 40–50 % dřevní hmoty a její molekuly mají podlouhlý tvar. Hemicelulóza má podobné chemické složení jako celulóza. V dřevní hmotě je jí obsaženo 15–35 %. Poslední významnou látkou, kterou obsahuje dřevo, je lignin. Působí dřevnatění dřevních buněk, dodává dřevu pevnost a tvrdost a společně s hemicelulózou je při výrobě celulózy zařazen mezi nežádoucí látky. Důležitou alternativou je použitý papír, který má velký význam pro šetření dřeva. Sběrový papír (výmět) se dělí do několika tříd. Nejkvalitnější výmět je technologický odpad papíren a zejména nepotisknuté odřezky z tiskáren; nejméně kvalitní výmět je sběrový papír z pouličního sběru, který obsahuje velké množství nečistot.

Výroba papíru se dělí do dvou fází:

1. výroba papíroviny
2. výroba v papírenském stroji

Výroba papíroviny

Papírovina je suspenze vlákniny s vodou a přídavných látek (plnidla, klížidla, barviva a ostatní pomocné chemické prostředky). Typ vlákniny a volba přísad rozhoduje o budoucích vlastnostech vyráběného papíru. Celý proces výroby papíroviny začíná zpracováním dřeva. Vlákninové dříví se do papírny nebo celulózky dodává v podobě odkorněných polen. Ty se nejdříve mechanicky rozsekají pomocí sekačky dřeva (výkon až 750 kW) na štěpky délky 10–30 mm, nebo se také rozbrušují. Podle způsobu uvolnění vláken z dřevní hmoty lze získat čtyři nejčastěji používané druhy vlákniny:

• dřevovina
• mechanická celulóza
• chemická celulóza
• recyklovaná celulóza

Dřevovina je druh vlákniny, která se získává mechanickým způsobem, obvykle broušením dřevěných polen na brusném kameni za současného přívodu vody. Protože dřevovina vzniká mechanickým způsobem, obsahuje všechny složky dřeva, tedy včetně ligninu. Dřevovinová vlákna jsou krátká, proto má dřevovina sníženou pevnost. Vyrábí se několik druhů dřevoviny, jako například dřevovina bělená, bílá, biologická, hnědá, chemická, rafinérová a tlaková. Protože dřevovina obsahuje lignin absorbující UV záření, má dřevovina nižší bělost. Používá se proto na výrobu méně kvalitních papírů.

Mechanická celulóza se vyrábí rafinací dřevěných štěpků, při které dochází k částečné destrukci ligninu.Vlákna tak mají lepší vazebnou schopnost než dřevovina. K výhodám mechanické celulózy patří zejména vysoká výtěžnost až 90% dřeva, velmi dobrá opacita (neprůhlednost) a velmi dobré tiskové vlastnosti papíru. K nevýhodám patří zejména nižší pevnost papíru a ne zcela bílá barva. Používá se zejména na výrobu novinového papíru, papíru pro periodika, prodejní katalogy, paperbacky. Všeobecně výrobky, kde není vyžadována dlouhá životnost.

Chemická celulóza je získávána vařením dřevěných štěpků s přídavkem chemických látek ve varných kotlích za přítomnosti tepla a tlaku. Tento postup umožňuje úplné odstranění ligninu. Varný kotel tvoří tlaková nádoba o objemu 225–300 m³, ve které se dřevěné štěpky vaří pod tlakem 1–1,5 MPa. Podle toho, zda působí na dřevěné štěpky kyselé nebo zásadité prostředí, rozdělujeme chemickou celulózu na sulfitovou (kyselý varný postup) a sulfátovou (zásaditý varný postup). K výhodám chemické celulózy patří zejména dobrá pevnost papíru, odolnost proti žloutnutí a energetická soběstačnost výroby (při výrobě chemické celulózy vzniká množství odpadního tepla, které se zpětně používá). Nevýhodou je nízká výtěžnost pod 60 % a velké množství odpadů z výroby. Používá se na výrobu bezdřevých papírů, které mají nejvyšší kvalitu.

Recyklovaná celulóza se vyrábí ze sběrového papíru jeho rozvlákněním a zbavením nečistot, zejména tiskové barvy. Část nečistot v surovině však zůstává, proto není zcela bílá. Používá se k výrobě novinového papíru, balicího papíru a tam, kde nezáleží na perfektním vzhledu a vysoké kvalitě papíru.

Postup při výrobě papíroviny:

• rozvlákňování
• mletí
• plnění
• klížení
• barvení

První operací při výrobě papíroviny je rozvláknění zdrojové suroviny (dřevo, celulóza, sběrový papír) a vytvoření vodní suspenze, ve které je rozvlákněná surovina rozptýlená. Následuje mletí této suspenze, při kterém dochází ke krácení vláken v příčném směru a ve směru podélném dochází k tzv. fibrilaci, což je uvolnění fibril z buněčné stěny vláken. Aby získala rozemletá celulóza vlastnosti nutné ke zhotovení papíru, přidávají se do vláknité suspenze plnidla. Nejčastěji se používají silně bílé chemické látky, jako například kaolin, uhličitan vápenatý a titanová běloba. Tím získává surovina lepší optické vlastnosti, respektive požadovanou bělost. Protože vláknina je silně hygroskopická (voda proniká až do kapilární struktury papíru) a tím je papírovina i rozměrově nestálá, přidávají se do papíroviny klížidla. Ta mají za úkol zvýšit odolnost papíru proti pronikání vzdušné vlhkosti. Klížit lze papír ve hmotě, kdy se klížidla přidávají do papíroviny ještě v tekutém stavu. Klížit lze ale i povrchově – již na hotovém papíru. Jako klížidla se používají živočišný klíh, kalafuna, škrob, křemičitan sodný (vodní sklo), kasein, albumin a další. Má-li být papír barevný, přidávají se do papírové hmoty rozpustná barviva. Barvit papír lze však také až v hotovém stavu povrchově. Obvykle se papírovina barví ve hmotě pomocí organických barviv, ředěných v poměru 1:50 až 1:200. Papírovina obsahuje také další pomocné látky, které příznivě ovlivňují zpracování papíroviny v papírenském stroji, zejména látky na zvýšení pevnosti papíru.

Výroba v papírenském stroji

Po předchozím přidání všech aditiv je nyní papírovina připravena k výrobě v papírenském stroji. Obsahuje 1 % sušiny a 99 % vody. Při výrobě v papírenském stroji dochází k postupnému odstranění vody až na požadovaný zůstatek vlhkosti cca 5–10 % vody ve zhotoveném papíru. K výrobě  používají papírny zejména papírenské stroje typu Fourdrinier vyrábějící papír kontinuálním, čili nepřetržitý způsobem. Zajímavostí je, že tento typ stroje byl patentován bratry Fourdrinierovými již v roce 1803.

Hlavní části papírenského stroje:

• nátoková skříň
• sítová část
• lisovací část
• sušící část
• kalandr
• navíjecí část

   

Nátoková skříň slouží jako zásobník vyrobené papíroviny. Suspenze dále natéká na nekonečné síto, kde dochází k odvodnění vlákniny tak, že vlákna se spojují a usazují na povrchu síta, voda protéká do sběrné vany.  Moderní papírenské stroje používají síta dvě, horní a spodní. Odvodnění papíroviny tak probíhá z obou stran, takže lze dosáhnout minimální dvoustrannosti vyráběného papíru. Na konci sítové části má vrstva budoucího papíru 20 % sušiny a dosahuje pevnosti umožňující další přenos do lisové části.

Lisovací část představuje skupinu válcových lisů umístěných za sebou. Lisováním dochází k odstranění další vody z papírového pásu. Působením tlaku válců je také vytvářena rovinná struktura povrchu papíru. Na konci lisové části obsahuje papír cca 60 % vody (před vstupem do lisové části papír obsahoval cca 80 % vody).

Sušící část papírenského stroje je nejsložitější a energeticky nejnáročnější částí stroje. Protože již není možné mechanicky odstranit zbylou vodu v pásu papíru, musí se papír sušit na válcích, které jsou vytápěny párou. Teplota prvního válce je cca 40–70 °C, nejvyšší teplotu mají válce uprostřed sušící části, a to 115–120 °C. Ve středu sušící části může být umístěno natírací zařízení pro povrchové úpravy papíru – povrchové klížení nebo natíraní. Natírání je technologie nanášení nátěrové směsi z jedné nebo z obou stran papíru. Obvykle se papír nebo karton opatřuje z jedné nebo z obou stran matným nebo lesklým nátěrem. Natíráním zvýšíme bělost a opacitu papíru, docílíme vyšší hladkosti a uzavřenosti povrchu papíru. V souhrnu tak docílíme lepší potiskovatelnosti papíru (přenos barvy na potiskovaný papír). Méně kvalitní papíry se natírají jedenkrát, vysoce kvalitní papíry vícekrát. Na konci sušící části papírenského stroje obsahuje papír 4–6 % vody. Před navíjením a hlazením se pás papíru chladí a zvlhčuje na 5–10 %.

Kalandr má za úkol zvýšit hladkost papíru. Jedná se o zvláštní soustavu lisovacích válců umístěných ihned za sušící části papírenského stroje. Čím vyšší počet válců, tím hladší povrch papíru. Při kalandrování vzniká i konečný vzhled povrchu papíru, a to od matného, polomatného, lesklého až po vysoce lesklý. Technologii, na jejímž konci je vysoce lesklý papír, označujeme jako superkalandrování. Kalandrovací válce jsou vyrobené z oceli (mohou být také vyhřívané), nebo mají povrch opatřen měkkým stlačitelným materiálem, obvykle pevně nalisovaným papírem (papírový válec).

Navíjecí část je poslední částí papírenského stroje. Zde se hotový papír navíjí za pomoci pneumatického přítlaku na tambor (hřídel) o průměru 300–450 mm. Když průměr kotouče na tamboru dosáhne určité hodnoty, přesune se dozadu a pás papíru pokračuje v navíjení na tambor přední. Kotouče se dále převíjejí podle požadavků trhu a řežou na jednotlivé archy (archový papír) s úzkou nebo širokou dráhou. Nařezané archy a kotouče papíru opouštějí papírnu v ochranném obalu, který zamezí změnám vlhkosti při transportu k zákazníkům.

Základní výkonové parametry papírenského stroje na výrobu bezdřevého grafického papíru

• pracovní šířka 6–10 m
• rychlost zpracování 500–600 m/min (max. 1800 m/min)
• délka sítové části v rozmezí 36– 54 m
• délka sítového stolu 16–23 m
• sušící části stroje obsahují 40–60 sušících válců a na konci stroje je zpravidla osmiválcová suchá hladící stolice
• denní výkon 400–500 t papíru